説明

電力変換装置

【課題】 ノイズによる誤動作や短絡を防止して安全に駆動できるゲート駆動回路を有する電力変換装置をより少ない部品と簡単な構成で実現する。
【解決手段】 上側スイッチング素子(1−SW2)を駆動する上側ゲート駆動回路(1−G2)と、下側スイッチング素子(1−SW1)を駆動する下側ゲート駆動回路(1−G1)と、を有する電力変換装置に、前記上側ゲート駆動回路については負電圧電源回路(1−E3)を備え、前記下側ゲート駆動回路については負電圧電源を作り出す下側ブートストラップ回路(1−B2)を備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電力変換装置に関し、例えばモータの駆動装置に適した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の電力変換装置(インバータ装置、コンバータ装置など)としては、図4、図5、図6のような回路があげられる。
【0003】
図4の回路は主に、U相、V相、W相の各相の下側スイッチング素子(4−SW1、4−SW3、4−SW5)及び上側スイッチング素子(4−SW2、4−SW4、4−SW6)と、下側スイッチング素子を駆動するための下側ゲート駆動回路(下側スイッチング素子4−SW1に対応した4−G1のみ図示)、上側スイッチング素子を駆動するための上側ゲート駆動回路(上側スイッチング素子4−SW2に対応した4−G2のみ図示)、それぞれのゲート駆動回路を動作させるための直流電源回路(4−E1)を有する(特許文献1参照)。
【0004】
図4の回路の特徴は、上側ゲート駆動回路(4−G2)の電源を、抵抗(4−R1)、ダイオード(4−D1)、コンデンサ(4−C1)から成る上側ブートストラップ回路(4−B1)により実現していることである。例えば下側スイッチング素子(4−SW1)がオンしている時に二点鎖線の矢印Aの経路で上側ブートストラップ回路(4−B1)のコンデンサ(4−C1)を充電することで上側ゲート駆動回路(4−G2)の電源を作り出している。
【0005】
しかし、この回路は正電圧の電源のみを電源として作り出すものであるためゲート駆動回路(4−G1、4−G2)のゲート駆動指令電圧△Vgd、△Vguを零ボルト以下にはできず、ノイズの影響により誤動作することが十分考えられる。
【0006】
図5の回路は、図4の回路に、ゲート駆動回路(4−G1、4−G2)の電源としてそれぞれ負電圧電源回路(5−E2、5−E3)を追加した構成となっている。なお、図5において、図4に示された要素と同じ要素には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。負電圧電源回路はDC/DCコンバータ回路、コンデンサを含み、上側についてはU相、V相、W相のそれぞれのゲート駆動回路に追加されるがV相、W相については図示を省略しており、下側についてはU相、V相、W相のゲート駆動回路で共用される。
【0007】
図5の回路の特徴は、U相について言えば、負電圧電源回路(5−E2、5−E3)を追加することでゲート駆動指令電圧(△Vgd、△Vgu)を負電圧にもできるためノイズによる誤動作を防止することができる。
【0008】
しかし、上側のU、V、Wの各相と下側にそれぞれ、DC/DCコンバータ回路を含む負電圧電源回路を、合計4個追加する必要があるため部品点数の増加、サイズアップなどが問題となる。
【0009】
図6の回路は、図5の回路に対してゲート駆動回路を動作させるための電源(E1、E2、E3)をトランス61及び平滑回路(6−C4、6−C5、6−C2)によって作り出している。また、上側ゲート駆動回路の負電圧電源回路(図5の5−E3)を、ダイオード(6−D2)、抵抗(6−R2)、コンデンサ(6−C3)から成る上側ブートストラップ回路(6−B1)に変更し、下側の負電圧電源回路(図5の5−E2)は削除した構成となっている(特許文献2参照)。なお、上側ブートストラップ回路(6−B1)と同じものがV相、W相のゲート駆動回路のそれぞれにも設けられる。図6において、図5に示された要素と同じ要素には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【0010】
図6の回路の特徴は、U相について言えば、上側ブートストラップ回路(6−B1)により上側ゲート駆動回路(4−G2)の電源として負電圧の電源を作り出していることである。上側スイッチング素子(4−SW2)がオンしている時に二点鎖線で示す矢印Bの経路でコンデンサ(6−C3)を充電することで上側ゲート駆動回路(4−G2)の電源として負電圧の電源を作り出している。このようにして上側ブートストラップ回路により、上側ゲート駆動回路のための負電圧電源を作り出すことでノイズによる誤動作を防止することができる。
【0011】
しかし、サイズアップやコスト増になりやすいトランス61を用いなければならないことが問題としてあげられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】実開平2−49388号公報
【特許文献2】特許第3581809号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
上記のように、電力変換装置(インバータ装置やコンバータ装置など)のスイッチング素子を駆動させるゲート駆動回路は、ノイズによる誤動作や短絡を防止するために負電圧電源回路を追加することが多い。しかし負電圧電源回路を追加することは部品の増加や大型化につながるため望ましいことではない。
【0014】
本発明は、ノイズによる誤動作や短絡を防止して安全に駆動できるゲート駆動回路を有する電力変換装置をより少ない部品と簡単な構成で実現することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明の態様によれば、上側のスイッチング素子を駆動する上側ゲート駆動回路と、下側のスイッチング素子を駆動する下側ゲート駆動回路と、を有する電力変換装置において、前記下側ゲート駆動回路の負電圧電源を作り出す下側ブートストラップ回路を備えたことを特徴とする電力変換装置が提供される。
【0016】
上記の態様による電力変換装置においては、前記下側ブートストラップ回路を、前記下側のスイッチング素子及び前記上側のスイッチング素子に共通の直流電源と前記下側のスイッチング素子との間に、前記下側のスイッチング素子から見てコンデンサ、抵抗、ダイオードの順で直列接続して構成することが望ましい。
【0017】
本発明の態様による電力変換装置は、三相の場合、前記上側のスイッチング素子と前記上側ゲート駆動回路、及び前記下側のスイッチング素子と前記下側ゲート駆動回路は三相の相別に設けられ、前記下側ブートストラップ回路は三相の前記下側のゲート駆動回路に共通の1つであり、三相の前記上側ゲート駆動回路の負電圧電源を作り出す上側ブートストラップ回路を相別に備える。
【0018】
上記の態様による電力変換装置においては、前記直流電源に代えて、トランス及び平滑回路を備えるようにしても良い。
【0019】
上記の態様による電力変換装置においては更に、前記三相の上側ゲート駆動回路に共通に、DC/DCコンバータ回路を含む追加の負電圧電源回路と、コンデンサ、抵抗、ダイオードを直列接続してなる追加のブートストラップ回路と、を備えるようにしても良い。
【0020】
本発明の好ましい適用例としては、上記のいずれかの電力変換装置を備えた、フォークリフトモータ用の電力変換装置があげられる。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、ノイズによる誤動作及び短絡を防止するために、上側の負電圧電源回路だけでなく、下側の負電圧電源回路もブートストラップ回路により実現することで小型化、部品点数の削減が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明によるゲート駆動回路の適用例のうち、図5の電力変換装置に対応する第1の実施形態を示した図である。
【図2】本発明によるゲート駆動回路の適用例のうち、図6の電力変換装置に対応する第2の実施形態を示した図である。
【図3】本発明によるゲート駆動回路の適用例のうち、図2の電力変換装置をトランスレス化した第3の実施形態を示した図である。
【図4】従来技術によるゲート駆動回路の第1の適用例としての電力変換装置を示した図である。
【図5】従来技術によるゲート駆動回路の第2の適用例としての電力変換装置を示した図である。
【図6】従来技術によるゲート駆動回路の第3の適用例としての電力変換装置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
図1を参照して、本発明による電力変換装置の第1の実施形態について説明する。
【0024】
第1の実施形態は、図5で説明した回路における下側の負電圧電源回路(図5の5−E2)を、図1に示すように、コンデンサ(1−C2)、抵抗(1−R2)、ダイオード(1−D2)から成る下側ブートストラップ回路(1−B2)に変更することで、DC/DCコンバータ回路を必要とする従来の負電圧電源回路に比べて、部品点数の削減、小型化を実現している。勿論、下側ブートストラップ回路(1−B2)はU、V、Wの各相に共通であり、下側スイッチ素子と直流電源(1−E1)の正側との間に、下側スイッチ素子から見てコンデンサ−抵抗−順方向のダイオードの順に直列接続されるのが好ましい。
【0025】
図1の回路は、直流電源(1−E1)、U相、V相、W相の各相の下側スイッチング素子(1−SW1、1−SW3、1−SW5)及び上側スイッチング素子(1−SW2、1−SW4、1−SW6)と、下側スイッチング素子を駆動するための下側ゲート駆動回路(下側スイッチング素子1−SW1に対応した1−G1のみ図示)、上側スイッチング素子を駆動するための上側ゲート駆動回路(上側スイッチング素子1−SW2に対応した1−G2のみ図示)を有する。また、上側ゲート駆動回路(1−G2)の電源を、抵抗(1−R1)、ダイオード(1−D1)、コンデンサ(1−C1)から成る上側ブートストラップ回路(1−B1)に加えて、DC/DCコンバータ回路及びコンデンサ(1−C3)を含む上側の負電圧電源回路(1−E3)を備えることで実現している。上側の負電圧電源回路は、V相、W相のゲート駆動回路にも相別に備えられる。
【0026】
図1の回路は、U相について言えば、下側スイッチング素子(1−SW1)がオンしている時に二点鎖線の矢印Cの経路で下側ブートストラップ回路(1−B2)のコンデンサ(1−C2)を充電することで下側ゲート駆動回路(1−G1)の電源として負電圧の電源を作り出している。
【0027】
図2を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。
【0028】
図2の回路は、図1の回路に対してゲート駆動回路を動作させるための電源(E1、E2)を、直流電源(1−E1)に代えて、トランス21及び平滑回路(2−C4、2−C5)によって作り出し、上側の負電圧電源回路(1−E3)に代えて、コンデンサ(2−C2)、抵抗(2−R2)、ダイオード(2−D2)から成る上側ブートストラップ回路(2−B1)を設けている。トランスの使用は高い電圧比を必要とする場合に適している。
【0029】
図2の回路は、U相の上側について言えば、上側スイッチング素子(1−SW2)がオンしている時に二点鎖線の矢印Bの経路で上側ブートストラップ回路(2−B1)のコンデンサ(2−C2)を充電することで上側ゲート駆動回路(1−G2)の電源として負電圧の電源を作り出している。
【0030】
以上のように、図2の回路では、ゲート駆動回路の負電圧の電源を、上側、下側共に、ブートストラップ回路で実現して、部品点数の削減、小型化を実現している。図2において、図1に示された要素と同じ要素には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【0031】
図3を参照して本発明の第3の実施形態について説明する。
【0032】
図3は、図2の回路のトランスレス化を実現した回路である。
【0033】
図3において、図2のトランス21に代えて図1の直流電源(1−E1)とし、U相、V相、W相の上側スイッチング素子(1−SW2、1−SW4、1−SW6)に共通に、コンデンサ(3−C4)、ダイオード(3−D4)、抵抗(3−R4)から成る上側ブートストラップ回路(3−B1)と、DC/DCコンバータ回路を含む上側の負電圧電源回路(3−E2)を追加している。
【0034】
このような構成とすることで、U相の上側について言えば、上側ブートストラップ回路(3−B1)は上側スイッチング素子(1−SW2)がオンしている時に二点鎖線の矢印Dの経路でコンデンサ(3−C4)を充電し、このコンデンサ(3−C4)を電源とした負電圧電源回路(3−E2)により必要な電圧をコンデンサ(3−C5)に作り出すことができ、図2の回路のトランスレス化を実現することができる。このような回路を構成することで1つの直流電源(1−E1)を基点として、上側及び下側ゲート駆動回路に必要な全ての電源を作り出すことが可能となり、必要最低限の部品点数とサイズで必要な電源を作り出すことが可能となる。
【0035】
以上の第1〜第3の実施形態による効果は以下の通りである。
【0036】
従来の電力変換装置のゲート駆動回路は、ノイズによる誤動作を防止するために、各相のゲート駆動回路に負電圧電源回路を追加することが多く、部品の増加や大型化につながるため望ましいことではなかった。
【0037】
上記実施形態では、ノイズによる誤動作及び短絡を防止するために、上側の負電圧電源回路だけでなく、下側の負電圧電源回路もブートストラップ回路により実現することで小型化、部品点数の削減が実現できる。
【0038】
また、下側の負電圧電源回路もブートストラップ回路により実現する形態に、図3の実施形態のように、上側ブートストラップ回路(3−B1)と上側の負電圧電源回路(3−E2)を追加することで、トランスレスによる小型化、部品点数の削減が可能となる。これにより1つの電源を基点として必要な電源全てを構成することが可能となり、必要最低限の部品点数とサイズで必要な電源を作り出すことが可能な回路が実現できる。
【0039】
なお、上記のいずれの実施形態も、三相の場合について説明したが、単相にも適用可能であることは言うまでも無い。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本発明は、インバータ装置やコンバータ装置などの電力変換装置全般に適用可能であり、モータの駆動装置、特にフォークリフトモータ用の電力変換装置に適している。
【符号の説明】
【0041】
21、61 トランス

【特許請求の範囲】
【請求項1】
上側のスイッチング素子を駆動する上側ゲート駆動回路と、
下側のスイッチング素子を駆動する下側ゲート駆動回路と、を有する電力変換装置において、
前記下側ゲート駆動回路の負電圧電源を作り出す下側ブートストラップ回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
前記下側ブートストラップ回路を、前記下側のスイッチング素子及び前記上側のスイッチング素子に共通の直流電源と前記下側のスイッチング素子との間に、前記下側のスイッチング素子から見てコンデンサ、抵抗、ダイオードの順で直列接続して構成したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記上側のスイッチング素子と前記上側ゲート駆動回路、及び前記下側のスイッチング素子と前記下側ゲート駆動回路は三相の相別に設けられ、
前記下側ブートストラップ回路は三相の前記下側のゲート駆動回路に共通の1つであり、
三相の前記上側ゲート駆動回路の負電圧電源を作り出す上側ブートストラップ回路を相別に備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記直流電源に代えて、トランス及び平滑回路を備えたことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記三相の上側ゲート駆動回路に共通に、DC/DCコンバータ回路を含む追加の負電圧電源回路と、コンデンサ、抵抗、ダイオードを直列接続してなる追加のブートストラップ回路と、を備えたことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置を備えた、フォークリフトモータ用の電力変換装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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