直流電圧降圧回路および電力変換装置

【課題】直列接続された電解コンデンサのバランス抵抗を不要とする直流電圧降圧回路および電力変換装置を提供する。
【解決手段】直列に接続された電解コンデンサ２、３から成るコンデンサ直列体４を入力直流電源１と並列に有し、入力直流電源１と並列に接続され直列に接続されたスイッチング素子５、６から成るスイッチング素子直列体７と、コンデンサ直列体４の中間接続点８と交流入力端子の一端が接続され、スイッチング素子直列体７の中間接続点９と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジ１０と、単相全波ダイオードブリッジ１０の直流出力端子間に接続された電解コンデンサ１１と、スイッチング素子５、６を相補的に駆動するように制御する駆動制御回路１２と、を備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解コンデンサの耐圧を得るため、主回路に直列に接続された電解コンデンサを有する直流電圧降圧回路および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、４００Ｖ級インバータなどの電力変換装置では、直流電源平滑用の電解コンデンサの耐圧を得るため、電解コンデンサを直列に接続して用いることが行われている。
従来技術による直流電圧降圧回路および電力変換装置では、このように電解コンデンサを直列接続で使用する場合、電圧のアンバランスを防止する為に、抵抗値が同一であるバランス抵抗をそれぞれの電解コンデンサと並列接続するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
ところが、バランス抵抗の接続不備等で２つの抵抗値が極端に異なる場合、あるいは片方の抵抗が短絡された場合などには、もう片方側の電解コンデンサに定格電圧以上の電圧が印加され、電解コンデンサが破損する事故が発生する恐れがある。この問題を解決する為に、電解コンデンサの直列接続中性点と負極側直流母線間の電圧を常時監視し、アンバランス時にも、電解コンデンサに定格電圧以上の電圧が印加される事を防止する主回路電解コンデンサのアンバランス電圧保護方式が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０８−０７９９６３号公報（第２図）
【特許文献２】特開２００４−１６６３３４号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
いずれにせよ、従来技術による直流電圧降圧回路および電力変換装置では、直列接続された電解コンデンサのリーク電流の差による分担電圧のアンバランスを無くするために、バランス抵抗をそれぞれの電解コンデンサと並列に接続する必要がある。
また、現存の直流電圧降圧回路技術でも、入力直流電圧に対し５０％出力電圧を得る高効率な変換回路を構成することができるが、出力電圧を監視した結果の帰還回路、誤差増幅器等が必要なため回路が複雑になり、コスト高となるという問題があった。
また、電解コンデンサ異常時、あるいはバランス抵抗自体の不良または接続ミスの発生に伴う事故の波及は大きく、直流電圧降圧回路あるいは電力変換装置が修理不能となる場合もあった。
【０００４】
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、バランス抵抗を不要とし、入力直流電圧に対し正確に５０％の出力電圧を得ることができる高効率、簡易的で安価な直流電圧降圧回路を提供することを目的とする。また、この直流電圧降圧回路を応用することにより、バランス抵抗を不要とし、バランス抵抗故障による直流電圧降圧回路の故障を皆無とすることができる電力変換装置を提供することを目的とする。さらに、主回路電解コンデンサの異常を検出する機能を備え、異常時に入力電源を遮断する等の安全動作を容易に実現可能とし、主回路コンデンサ異常時の波及破損を防止する直流電圧降圧回路および電力変換装置を提供することを目的とする。さらに、直列接続された電解コンデンサが完全に破損する前に信号を得、完全に故障する前にメインテナンスできる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】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、直列に接続された第１、第２のコンデンサから成るコンデンサ直列体を入力直流電源と並列に有し、前記入力直流電源の直流電圧を降圧する直流電圧降圧回路において、前記入力直流電源と並列に接続され、直列に接続された第１、第２のスイッチング素子から成るスイッチング素子直列体と、前記コンデンサ直列体の中間接続点と交流入力端子の一端が接続され、前記スイッチング素子直列体の中間接続点と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジと、前記単相全波ダイオードブリッジの直流出力端子間に接続された第３のコンデンサと、前記第３のコンデンサと並列に接続された負荷と、前記直列に接続されたスイッチング素子を相補的に駆動制御する駆動制御回路と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、直列に接続された第１、第２のコンデンサから成るコンデンサ直列体を入力直流電源と並列に有し、前記入力直流電源の直流電圧を降圧する直流電圧降圧回路において、前記入力直流電源の正極と第１のスイッチング素子のエミッタが接続され、前記第２のスイッチング素子のコレクタにカソードが接続され、前記コンデンサ直列体の中間接続点とアノードが接続された第１のダイオードと前記入力直流電源の負極と第２のスイッチング素子のエミッタが接続され、前記第２のスイッチング素子のコレクタにアノードが接続され、前記コンデンサ直列体の中間接続点とカソードが接続された第２のダイオードからなるダイオード直列体と、前記ダイオード直列体と並列接続された第３のコンデンサと、前記第３のコンデンサと並列に接続された負荷と、前記直列に接続されたスイッチング素子を相補的に駆動制御する駆動制御回路と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の直流電圧降圧回路において、前記第３のコンデンサの端子間電圧に基づいて前記コンデンサ直列体の異常を検出し、異常検出信号を出力するコンデンサ異常検出回路を有することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明は、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流出力と並列に接続され、第１、第２のコンデンサから成るコンデンサ直列体と、前記直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と、前記逆変換回路を制御する制御回路と、
を有する電力変換装置において、前記整流回路の直流出力と並列に接続され、直列に接続された第１、第２のスイッチング素子から成るスイッチング素子直列体と、前記コンデンサ直列体の中間接続点と交流入力端子の一端が接続され、前記スイッチング素子直列体の中間接続点と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジと、前記単相全波ダイオードブリッジの直流出力端子間に接続された第３のコンデンサと、前記第３のコンデンサと並列に接続され、前記制御回路の電源である制御回路電源と、前記直列に接続されたスイッチング素子を相補的に駆動制御する駆動制御回路と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明は、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流出力と並列に接続され、第１、第２のコンデンサから成るコンデンサ直列体と、前記直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と、前記逆変換回路を制御する制御回路と、を有する電力変換装置において、前記整流回路の正極出力母線と第１のスイッチング素子のエミッタが接続され、前記第２のスイッチング素子のコレクタにカソードが接続され、前記コンデンサ直列体の中間接続点とアノードが接続された第１のダイオードと前記整流回路の負極出力母線と第２のスイッチング素子のエミッタが接続され、前記第２のスイッチング素子（６）のコレクタにアノードが接続され、前記コンデンサ直列体の中間接続点とカソードが接続された第２のダイオードからなるダイオード直列体と、前記ダイオード直列体と並列接続された第３のコンデンサと、前記第３のコンデンサと並列に接続され、前記制御回路の電源である制御回路電源と、前記直列に接続されたスイッチング素子を相補的に駆動制御する駆動制御回路と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の電力変換装置において、前記第３のコンデンサの端子間電圧に基づいて前記コンデンサ直列体の異常を検出し、前記コンデンサ直列体の異常検出時に異常検出信号を出力するコンデンサ異常検出回路を有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項４または５に記載の電力変換装置において、前記第１、第２のコンデンサの分担電圧を検出する分担電圧検出回路と、前記分担電圧を比較して電圧差の絶対値に応じたアナログ信号を出力する誤差検出回路と、前記アナログ信号と予め定めた故障検出基準値とを比較し、前記アナログ信号が前記故障検出基準値を越えると警報信号を出力する故障信号出力回路と、から成るコンデンサ異常検出回路を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１または２に記載の発明によると、バランス抵抗を不要とし、入力直流電圧に対し正確に５０％の出力電圧を得ることができる高効率、簡易的で安価な直流電圧降圧回路を得ることができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明によると、主回路に直列に接続された平滑用電解コンデンサの異常を検出し異常時に入力電源を遮断する等の安全動作を容易に実現可能とし、主回路コンデンサ異常時の波及破損を防止する直流電圧降圧回路を得ることができる。
【００１４】
また、請求項４または５に記載の発明によると、バランス抵抗をなくすことができるため、バランス抵抗故障による電力変換装置の故障を皆無とすることができる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明によると、主回路に直列に接続された平滑用電解コンデンサの異常を検出し異常時に入力電源を遮断する等の安全動作を容易に実現可能とし、主回路コンデンサ異常時の波及破損を防止する電力変換装置を得ることが出来る。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明によると、故障検出基準値の設定により電力変換装置が完全故障に至る前に警報出力によりメインテナンスすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。尚、本発明の各実施例および各図において、同じ説明符号のものは、同じ構成要素を示すものとし、繰り返しての説明は省略する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図である。
図１において、１は入力直流電源、２、３は電解コンデンサ、４は電解コンデンサ２、３を直列に構成したコンデンサ直列体、５、６はＩＧＢＴなどのスイッチング素子、７はスイッチング素子５、６を直列に構成したスイッチング素子直列体、８は電解コンデンサ２と電解コンデンサ３の接続点である中間接続点、９はスイッチング素子５とスイッチング素子６の接続点である中間接続点、１０は単相全波ダイオードブリッジ、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは単相全波ダイオードブリッジ１０を構成するダイオード、１１は単相全波ダイオードブリッジ１０の直流出力部に設けられた電解コンデンサ、１６は電解コンデンサ１１と並列に接続された負荷、Ｖｏｕｔは直流電圧降圧回路の出力電圧である。また、図２は、本発明における補助電源部の構成図である。図２において、１３は補助電源部であり、ＳＷ１ＰＳはスイッチング素子５の駆動用の電源、ＳＷ２ＰＳはスイッチング素子６の駆動用の電源、ＶＤＤは駆動制御回路用の電源、ＰＢは入力直流電源１の正極母線、ＮＢは入力直流電源１の負極母線を示している。また、図３は、本発明におけるスイッチング素子５、６の駆動部の構成図である。図３において、１２は駆動制御回路であり、１４はスイッチング素子５の駆動回路、１５はスイッチング素子６の駆動回路、Ｇ１はスイッチング素子５のゲート、Ｇ２はスイッチング素子６のゲートである。また、図４は、本発明における駆動回路１４、１５の駆動信号の出力波形である。尚、図２、３、４は本発明の各実施例共通であるものとし、以降の実施例では説明を省略する。
本実施例の特徴とする点は以下のとおりである。
すなわち、コンデンサ直列体４と並列に接続され、スイッチング素子５、６を直列に構成したスイッチング素子直列体７と、コンデンサ直列体４の中間接続点８と交流入力端子の一端が接続されスイッチング素子直列体７の中間接続点９と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジ１０と、単相全波ダイオードブリッジ１０の直流出力端子間に接続された電解コンデンサ１１と、電解コンデンサ１１と並列に接続された負荷１６と、スイッチング素子５、６を相補的に駆動するように制御する駆動制御回路１２と、を備えるようにしている点である。
【００１９】
以下、図１、２、３、４を用いて、本発明の直流電圧降圧回路の動作を説明する。
補助電源部１３は、入力直流電源１、すなわち図１に示す直流母線ＰＢ、ＮＢ間電圧を入力し、それぞれ絶縁されたスイッチング素子５の駆動回路１４用の電源ＳＷ１ＰＳ、スイッチング素子６の駆動回路１５用の電源ＳＷ２ＰＳ、および駆動制御回路１２用の電源ＶＤＤを出力する。駆動制御回路１２は、駆動回路１４、１５を介して、図４に示すように相補的にスイッチング素子５、６を駆動する。
スイッチング素子５がオン（導通）し、スイッチング素子６がオフ（不導通）の時の出力側の電解コンデンサ１１への充電経路は以下の通りである。
すなわち、電解コンデンサ２の陽極→スイッチング素子５→単相全波ダイオードブリッジ１０のダイオード１０Ａ→電解コンデンサ１１の陽極→電解コンデンサ１１の陰極→単相全波ダイオードブリッジ１０のダイオード１０Ｂ→コンデンサ直列体４の中間接続点８を充電経路とし、電解コンデンサ２の電圧値まで出力側の電解コンデンサ１１は充電される。
また、スイッチング素子６がオン（導通）し、スイッチング素子５がオフ（不導通）の時の出力側の電解コンデンサ１１への充電経路は以下の通りである。
コンデンサ直列体４の中間接続点８→単相全波ダイオードブリッジ１０のダイオード１０Ｃ→電解コンデンサ１１の陽極→電解コンデンサ１１の陰極→単相全波ダイオードブリッジ１０のダイオード１０Ｄ→スイッチング素子６→電解コンデンサ３の陰極を充電経路とし、電解コンデンサ３の電圧値まで出力側の電解コンデンサ１１は充電される。
上記の動作により、電解コンデンサ１１の両端電圧、すなわち、直流平滑出力Ｖoutはシリーズ接続された電解コンデンサ２、３のどちらか電圧の高い方のコンデンサの電圧となる。つまり、直流出力に、電圧バランスを得るためには十分なだけの負荷１６があれば、電解コンデンサ２、３の電圧が同一値となる。その結果、電解コンデンサ１１の電圧は正確に入力直流電圧値の５０％となるのである。従って、従来のバランス抵抗は削除できる。
【００２０】
以上述べたように、本実施例に係る直流電圧降圧回路は、直列接続された電解コンデンサ２、３の等価並列抵抗の差による両コンデンサの電圧アンバランスを防ぐためのバランス抵抗を並列に接続すること無く、また、出力電圧を監視した結果の帰還回路、誤差増幅器等も不要であるので高効率、簡易的で安価に入力直流電圧に対し正確に５０％の出力電圧を得ることができる。
【実施例２】
【００２１】
図５は、本発明の第２実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図である。
図５において、１７、１８はダイオード、１９はダイオード１７、１８からなるダイオード直列体、２０はダイオード直列体の中間接続点である。
本実施例の特徴とする点は以下のとおりである。
すなわち、入力直流電源１の正極と第１のスイッチング素子５のコレクタが接続され、第1のスイッチング素子５のエミッタにカソードが接続され、コンデンサ直列体４の中間接続点８とアノードが接続された第１のダイオード１７と入力直流電源１の負極と第２のスイッチング素子６のエミッタが接続され、第２のスイッチング素子６のコレクタにアノードが接続され、コンデンサ直列体４の中間接続点８とカソードが接続された第２のダイオード１８からなるダイオード直列体１９と、ダイオード直列体１９と並列接続された第３のコンデンサ１１と、第３のコンデンサ１１と並列に接続された負荷１６と、直列に接続されたスイッチング素子５、６を相補的に駆動制御する駆動制御回路１２と、を備えるようにしている点である。
【００２２】
以下、図２、３、４、５を用いて、本発明の直流電圧降圧回路の動作を説明する。
補助電源部１３は、入力直流電源１、すなわち図５に示す直流母線ＰＢ、ＮＢ間電圧を入力し、それぞれ絶縁されたスイッチング素子５の駆動回路１４用の電源ＳＷ１ＰＳ、スイッチング素子６の駆動回路１５用の電源ＳＷ２ＰＳ、および駆動制御回路１２用の電源ＶＤＤを出力する。駆動制御回路１２は、駆動回路１４、１５を介して、図４に示すように相補的にスイッチング素子５、６を駆動する。
スイッチング素子５がオン（導通）し、スイッチング素子６がオフ（不導通）の時の出力側の電解コンデンサ１１への充電経路は以下の通りである。
すなわち、電解コンデンサ２の陽極→スイッチング素子５→電解コンデンサ１１の陽極→電解コンデンサ１１の陰極→ダイオード１８→ダイオード直列体１９の中間接続点２０→コンデンサ直列体４の中間接続点８を充電経路とし、電解コンデンサ２の電圧値まで出力側の電解コンデンサ１１は充電される。
また、スイッチング素子６がオン（導通）し、スイッチング素子５がオフ（不導通）の時の出力側の電解コンデンサ１１への充電経路は以下の通りである。
コンデンサ直列体４の中間接続点８→ダイオード直列体１９の中間接続点２０→ダイオード１７→電解コンデンサ１１の陽極→電解コンデンサ１１の陰極→スイッチング素子６→電解コンデンサ３の陰極を充電経路とし、電解コンデンサ３の電圧値まで出力側の電解コンデンサ１１は充電される。
上記の動作により、電解コンデンサ１１の両端電圧、すなわち、直流平滑出力Ｖoutはシリーズ接続された電解コンデンサ２、３のどちらか電圧の高い方のコンデンサの電圧となる。つまり、直流出力に、電圧バランスを得るためには十分なだけの負荷１６があれば、電解コンデンサ２、３の電圧が同一値となる。その結果、電解コンデンサ１１の電圧は正確に入力直流電圧値の５０％となるのである。従って、従来のバランス抵抗は削除できる。
【００２３】
以上述べたように、本実施例に係る直流電圧降圧回路は、直列接続された電解コンデンサ２、３の等価並列抵抗の差による両コンデンサの電圧アンバランスを防ぐためのバランス抵抗を並列に接続すること無く、また、出力電圧を監視した結果の帰還回路、誤差増幅器等も不要であるので高効率、簡易的で安価に入力直流電圧に対し正確に５０％の出力電圧を得ることができる。
【実施例３】
【００２４】
図６は、本発明の第３実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図である。
図６において、１００はコンデンサ異常検出回路、１０１は検出信号出力回路としてのリレー、１０１ａはリレー１０１のａ接点、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６は抵抗、１０７はゼナーダイオード、１０８はフォトカプラ、１０９はトランジスタ、１１０はダイオードである。
本実施例と第１実施例の相違する点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例は、第１実施例の直流電圧降圧回路の出力である電解コンデンサ１１と並列にコンデンサ異常検出回路１００を追加するようにしている点である。
【００２５】
先ず、図６を用いて、本実施例の直流電圧降圧回路におけるコンデンサ異常検出回路１００の内部構成を説明する。
抵抗１０２と抵抗１０３で直流電圧降圧回路の出力電圧Ｖｏｕｔを分圧している。分圧点の電圧がゼナーダイオード１０７のゼナー電圧を越えるとフォトカプラ１０８のダイオードに電流が流れ、フォトカプラ１０８のトランジスタがオンし、トランジスタ１０９がオンすることにより、リレー１０１がオンし、リレー接点１０１ａが閉となる構成である。
【００２６】
次に、本実施例の直流電圧降圧回路におけるコンデンサ異常検出回路１００の動作を説明する。
本発明の直流電圧降圧回路は、電解コンデンサ２または電解コンデンサ３の充電電圧値の高いほうの電圧が出力される。電解コンデンサ２または電解コンデンサ３のどちらかが故障しインピーダンスが異常となった場合は、入力直流電源１の電圧が変化しない場合でも、直流電圧降圧回路の出力電圧Ｖｏｕｔは高くなる。この特性を利用してコンデンサ異常検出回路１００は出力電圧が異常に高くなったことを検出し、検出信号出力回路１０１、すなわちリレー１０１の接点１０１ａを閉とする。この接点出力で入力電源を遮断する等の安全動作が容易に可能である。
また、検出信号出力回路１０１の異常検出出力はｂ接点出力でもよく、さらにメカニカル接点のみならず、トランジスタのオープンコレクタ出力等でも容易に構成できる。
【００２７】
以上述べたように、本実施例に係る直流電圧降圧回路は、直流出力端子間電圧Ｖｏｕｔの検出結果に基づき、直列に構成された電解コンデンサ２、３の異常を検出して異常検出信号を出力するコンデンサ異常検出回路１００を備えるようにしているため、異常時に入力電源を遮断する等の安全策を容易に実現可能であり、主回路コンデンサ異常時の波及破損を防止することが可能である。
【実施例４】
【００２８】
図７は、本発明の第４実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図である。
本実施例と第２実施例の相違する点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例は、第２実施例の直流電圧降圧回路の出力である電解コンデンサ１１と並列に第３実施例で示したコンデンサ異常検出回路１００を追加するようにしている点である。
本実施例に係る直流電圧降圧回路の動作は第３実施例と同じであるので説明は省略する。
【実施例５】
【００２９】
図８は、本発明の第５実施例を示す電力変換装置の構成図である。
図８において、２１は整流回路、２２は逆変換回路、２３は制御回路電源、２４は制御回路、２５はヒューズである。
本実施例の電力変換装置の特徴とする点は以下のとおりである。
整流回路２１の直流出力と並列に接続され、直列に接続されたスイッチング素子５、６から成るスイッチング素子直列体７と、整流回路２１の直流出力と並列に接続され、コンデンサ２、３から成る前記コンデンサ直列体４の中間接続点８と交流入力端子の一端が接続され、スイッチング素子直列体７の中間接続点９と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジ１０と、単相全波ダイオードブリッジ１０の直流出力端子間に接続されたコンデンサ１１と、コンデンサ１１と並列に接続され、制御回路２４の電源である制御回路電源２３と、直列に接続されたスイッチング素子５、６を相補的に駆動制御する駆動制御回路１２と、を備えるようにしている点である。
【００３０】
以下、図８を参照しながら、本実施例の電力変換装置の動作を説明する．
ＡＣ入力電源は整流回路２１で整流され、直列接続された電解コンデンサ２、３により平滑される。平滑された直流電圧は第１実施例で示した直流電圧降圧回路により降圧され出力電圧Ｖｏｕｔを得る。出力電圧Ｖｏｕｔは制御回路電源２３に供給され、制御回路２４の電源が作られる。制御回路２４は、直流電力を交流電力に変換すべく逆変換回路２２を制御する。
尚、本実施例では、得られた直流平滑出力Ｖoutの負荷として制御回路電源２３を第１実施例における負荷１６の代わりに使用しており、その電力は直列接続された電解コンデンサ２、３の電圧バランスを得るためには十分な負荷となる。従って従来のバランス抵抗は削除できる。
【実施例６】
【００３１】
図９は、本発明の第６実施例を示す電力変換装置の構成図である。
本実施例の電力変換装置の特徴とする点は以下のとおりである。
すなわち、整流回路２１の正極出力母線ＰＢと第１のスイッチング素子５のコレクタが接続され、第1のスイッチング素子５のエミッタにカソードが接続され、コンデンサ直列体４の中間接続点８とアノードが接続された第１のダイオード１７と整流回路２１の負極出力母線ＮＢと第２のスイッチング素子６のエミッタが接続され、第２のスイッチング素子６のコレクタにアノードが接続され、コンデンサ直列体４の中間接続点８とカソードが接続された第２のダイオード１８からなるダイオード直列体１９と、ダイオード直列体１９と並列接続された第３のコンデンサ１１と、第３のコンデンサ１１と並列に接続され、制御回路２４の電源である制御回路電源２３と、直列に接続されたスイッチング素子５、６を相補的に駆動制御する駆動制御回路１２と、を備えるようにしている点である。
【００３２】
以下、図９を参照しながら、本実施例の電力変換装置の動作を説明する．
ＡＣ入力電源は整流回路２１で整流され、直列接続された電解コンデンサ２、３により平滑される。平滑された直流電圧は第２実施例で示した直流電圧降圧回路により降圧され出力電圧Ｖｏｕｔを得る。出力電圧Ｖｏｕｔは制御回路電源２３に供給され、制御回路２４の電源が作られる。制御回路２４は、直流電力を交流電力に変換すべく逆変換回路２２を制御する。
尚、本実施例では、得られた直流平滑出力Ｖoutの負荷として制御回路電源２３を第２実施例における負荷１６の代わりに使用しており、その電力は直列接続された電解コンデンサ２、３の電圧バランスを得るためには十分な負荷となる。従って従来のバランス抵抗は削除できる。
【実施例７】
【００３３】
図１０は、本発明の第７実施例を示す電力変換装置の構成図である。
図１０において、３００は主回路電圧遮断回路である。
本実施例が、第５実施例の電力変換装置と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例は、第５実施例に第３実施例で述べたコンデンサ異常検出回路１００を電解コンデンサ１１と並列に付加している点である。
以下、図１０を参照しながら、本実施例の電力変換装置におけるコンデンサ異常検出回路１００の動作を説明する。
電解コンデンサ２、３の劣化または事故的不良により両コンデンサの電圧バランスが崩れた場合は、直流主回路、すなわちＰＢ−ＮＢ母線の電圧が上昇しなくても、平滑コンデンサ１１の出力電圧が上昇する。コンデンサ異常検出回路１００は、この異常電圧上昇を検出し警報出力をえる。なお、図１０に示す本事例では、主回路電圧遮断回路３００は、リレー１０１が動作すると、電磁接触器ＭでＡＣ電源を遮断する構成としている。
【実施例８】
【００３４】
図１１は、本発明の第８実施例を示す電力変換装置の構成図である。
本実施例が、第６実施例の電力変換装置と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例は、第６実施例に第４実施例で述べたコンデンサ異常検出回路１００を電解コンデンサ１１と並列に付加している点である。
以下、図１１を参照しながら、本実施例の電力変換装置におけるコンデンサ異常検出回路１００の動作を説明する。
電解コンデンサ２、３の劣化または事故的不良により両コンデンサの電圧バランスが崩れた場合は、直流主回路、すなわちＰＢ−ＮＢ母線の電圧が上昇しなくても、平滑コンデンサ１１の出力電圧が上昇する。コンデンサ異常検出回路１００は、この異常電圧上昇を検出し警報出力をえる。なお、図１１に示す本事例では、主回路電圧遮断回路３００は、リレー１０１が動作すると、電磁接触器ＭでＡＣ電源を遮断する構成としている。
【実施例９】
【００３５】
図１２は、本発明の第９実施例を示す電力変換装置の構成図である。
図１２において、２００はコンデンサ異常検出回路、２０１は分担電圧検出回路、２０２は誤差検出回路、２０３は故障信号出力回路である。
本実施例が、第５実施例の電力変換装置と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例の電力変換装置は、コンデンサ異常検出回路２００を有するようにしている点である。
以下、図１２を用いて本実施例の電力変換装置におけるコンデンサ異常検出回路２００の構成およびその動作を説明する。
コンデンサ異常検出回路２００は、分担電圧検出回路２０１、誤差検出回路２０２、故障信号出力回路２０３とから構成されている。
分担電圧検出回路２０１は、コンデンサ２、３の分担電圧を検出する。誤差検出回路２０２は、分担電圧を比較して電圧差の絶対値に応じたアナログ信号を出力する。故障信号出力回路２０３は、アナログ信号と予め定めた故障検出基準値とを比較し、アナログ信号が故障検出基準値を越えると警報信号を出力する。
【００３６】
以上述べたように本実施例に係る電力変換装置は、直列接続された電解コンデンサ２、３のアンバランス信号をアナログ値で得られるため、故障検出基準値の設定により直列接続された電解コンデンサ２または３が完全に破損する前に軽故障出力信号を得ることができ、電力変換装置が完全に故障する前にメインテナンスすることが可能となる。従がって、修理に要する時間や費用を節約できる。また、故障検出基準値を別に高く設定することにより、図８に示すように重故障出力信号を得、重故障出力信号でリレーＥＭを駆動し電磁接触器ＭでＡＣ電源を遮断する構成とすることも可能であり安全である。
【実施例１０】
【００３７】
図１３は、本発明の第１０実施例を示す電力変換装置の構成図である。
本実施例が、第６実施例の電力変換装置と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例の電力変換装置は、コンデンサ異常検出回路２００を有するようにしている点である。
以下、図１３を用いて本実施例の電力変換装置におけるコンデンサ異常検出回路２００の構成およびその動作を説明する。
コンデンサ異常検出回路２００は、分担電圧検出回路２０１、誤差検出回路２０２、故障信号出力回路２０３とから構成されている。
分担電圧検出回路２０１は、コンデンサ２、３の分担電圧を検出する。誤差検出回路２０２は、分担電圧を比較して電圧差の絶対値に応じたアナログ信号を出力する。故障信号出力回路２０３は、アナログ信号と予め定めた故障検出基準値とを比較し、アナログ信号が故障検出基準値を越えると警報信号を出力する。
【００３８】
以上述べたように本実施例に係る電力変換装置は、直列接続された電解コンデンサ２、３のアンバランス信号をアナログ値で得られるため、故障検出基準値の設定により直列接続された電解コンデンサ２または３が完全に破損する前に軽故障出力信号を得ることができ、電力変換装置が完全に故障する前にメインテナンスすることが可能となる。従がって、修理に要する時間や費用を節約できる。また、故障検出基準値を別に高く設定することにより、図８に示すように重故障出力信号を得、重故障出力信号でリレーＥＭを駆動し電磁接触器ＭでＡＣ電源を遮断する構成とすることも可能であり安全である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
４００Ｖシリーズインバータ等は主回路コンデンサを直列接続して使用されることから、本発明の直流電圧降圧回路は、コンデンサ電圧バランス回路として汎用的に利用できる。また、本発明の直流電圧降圧回路を応用した電力変換装置はインバータに限らず、直列コンデンサを備えたサーボアンプや電源装置なども当然可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図
【図２】本発明における補助電源部の構成図
【図３】本発明におけるスイッチング素子５、６の駆動部の構成図
【図４】本発明における駆動回路１４、１５の駆動信号の出力波形
【図５】本発明の第２実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図
【図６】本発明の第３実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図
【図７】本発明の第４実施例を示す直流電圧降圧回路の構成図
【図８】本発明の第５実施例を示す電力変換装置の構成図
【図９】本発明の第６実施例を示す電力変換装置の構成図
【図１０】本発明の第７実施例を示す電力変換装置の構成図
【図１１】本発明の第８実施例を示す電力変換装置の構成図
【図１２】本発明の第９実施例を示す電力変換装置の構成図
【図１３】本発明の第１０実施例を示す電力変換装置の構成図
【符号の説明】
【００４１】
１入力直流電源
２、３、１１電解コンデンサ
４コンデンサ直列体
５、６スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
７スイッチング素子直列体
８、９、２０中間接続点
１０単相全波ダイオードブリッジ
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１１０ダイオード
１２駆動制御回路
１３補助電源部
１４、１５駆動回路
１６負荷
１７、１８ダイオード
１９ダイオード直列体
１００、２００コンデンサ異常検出回路
１０１検出信号出力回路（リレー）
１０２、１０３、１０４、１０５、１０６抵抗
１０７ゼナーダイオード
１０８フォトカプラ
１０９トランジスタ
２０１分担電圧検出回路
２０２誤差検出回路
２０３故障信号出力回路
３００主回路電圧遮断回路

【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された第１、第２のコンデンサ（２、３）から成るコンデンサ直列体（４）を入力直流電源（１）と並列に有し、前記入力直流電源（１）の直流電圧を降圧する直流電圧降圧回路において、
前記入力直流電源（１）と並列に接続され、直列に接続された第１、第２のスイッチング素子（５、６）から成るスイッチング素子直列体（７）と、
前記コンデンサ直列体（４）の中間接続点（８）と交流入力端子の一端が接続され、前記スイッチング素子直列体（７）の中間接続点（９）と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジ（１０）と、
前記単相全波ダイオードブリッジ（１０）の直流出力端子間に接続された第３のコンデンサ（１１）と、
前記第３のコンデンサ（１１）と並列に接続された負荷（１６）と、
前記直列に接続されたスイッチング素子（５、６）を相補的に駆動制御する駆動制御回路（１２）と、を備えたことを特徴とする直流電圧降圧回路。
【請求項２】
直列に接続された第１、第２のコンデンサ（２、３）から成るコンデンサ直列体（４）を入力直流電源（１）と並列に有し、前記入力直流電源（１）の直流電圧を降圧する直流電圧降圧回路において、
前記入力直流電源（１）の正極と第１のスイッチング素子（５）のコレクタが接続され、前記第1のスイッチング素子（５）のエミッタにカソードが接続され、前記コンデンサ直列体（４）の中間接続点（８）とアノードが接続された第１のダイオード（１７）と前記入力直流電源（１）の負極と第２のスイッチング素子（６）のエミッタが接続され、前記第２のスイッチング素子（６）のコレクタにアノードが接続され、前記コンデンサ直列体（４）の中間接続点（８）とカソードが接続された第２のダイオード（１８）からなるダイオード直列体（１９）と、
前記ダイオード直列体（１９）と並列接続された第３のコンデンサ（１１）と、
前記第３のコンデンサ（１１）と並列に接続された負荷（１６）と、
前記直列に接続されたスイッチング素子（５、６）を相補的に駆動制御する駆動制御回路（１２）と、を備えたことを特徴とする直流電圧降圧回路。
【請求項３】
前記第３のコンデンサ（１１）の端子間電圧に基づいて前記コンデンサ直列体（４）の異常を検出し、異常検出信号を出力するコンデンサ異常検出回路（１００）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電圧降圧回路。
【請求項４】
交流電力を直流電力に変換する整流回路（２１）と、
前記整流回路（２１）の直流出力と並列に接続され、第１、第２のコンデンサ（２、３）から成るコンデンサ直列体（４）と、
前記直流電力を交流電力に変換する逆変換回路（２２）と、
前記逆変換回路（２２）を制御する制御回路（２４）と、
を有する電力変換装置において、
前記整流回路（２１）の直流出力と並列に接続され、直列に接続された第１、第２のスイッチング素子（５、６）から成るスイッチング素子直列体（７）と、
前記コンデンサ直列体（４）の中間接続点（８）と交流入力端子の一端が接続され、前記スイッチング素子直列体（７）の中間接続点（９）と交流入力端子の他端が接続された単相全波ダイオードブリッジ（１０）と、
前記単相全波ダイオードブリッジ（１０）の直流出力端子間に接続された第３のコンデンサ（１１）と、
前記第３のコンデンサ（１１）と並列に接続され、前記制御回路（２４）の電源である制御回路電源（２３）と、
前記直列に接続されたスイッチング素子（５、６）を相補的に駆動制御する駆動制御回路（１２）と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
交流電力を直流電力に変換する整流回路（２１）と、
前記整流回路（２１）の直流出力と並列に接続され、第１、第２のコンデンサ（２、３）から成るコンデンサ直列体（４）と、
前記直流電力を交流電力に変換する逆変換回路（２２）と、
前記逆変換回路（２２）を制御する制御回路（２４）と、
を有する電力変換装置において、
前記整流回路（２１）の正極出力母線と第１のスイッチング素子（５）のコレクタが接続され、前記第1のスイッチング素子（５）のエミッタにカソードが接続され、前記コンデンサ直列体（４）の中間接続点（８）とアノードが接続された第１のダイオード（１７）と前記整流回路（２１）の負極出力母線と第２のスイッチング素子（６）のエミッタが接続され、前記第２のスイッチング素子（６）のコレクタにアノードが接続され、前記コンデンサ直列体（４）の中間接続点（８）とカソードが接続された第２のダイオード（１８）からなるダイオード直列体（１９）と、
前記ダイオード直列体（１９）と並列接続された第３のコンデンサ（１１）と、
前記第３のコンデンサ（１１）と並列に接続され、前記制御回路（２４）の電源である制御回路電源（２３）と、
前記直列に接続されたスイッチング素子（５、６）を相補的に駆動制御する駆動制御回路（１２）と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記第３のコンデンサ（１１）の端子間電圧に基づいて前記コンデンサ直列体（４）の異常を検出し、
前記コンデンサ直列体（４）の異常検出時に異常検出信号を出力するコンデンサ異常検出回路（１００）を有することを特徴とする請求項４または５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第１、第２のコンデンサ（２、３）の分担電圧を検出する分担電圧検出回路（２０１）と、
前記分担電圧を比較して電圧差の絶対値に応じたアナログ信号を出力する誤差検出回路（２０２）と、
前記アナログ信号と予め定めた故障検出基準値とを比較し、前記アナログ信号が前記故障検出基準値を越えると警報信号を出力する故障信号出力回路（２０３）と、から成るコンデンサ異常検出回路（２００）を有することを特徴とする請求項４または５に記載の電力変換装置。

【図１】