JP2007267486A - 変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を駆動する駆動回路を、その絶縁性を維持しつつ簡素な構成とし、駆動回路に電源供給する駆動用電源を一つの電源で供給できる変換装置を得る。
【解決手段】交流電源２００からの交流電力を変換するための変換装置において、印加される電圧に基づいて交流電源２００による電流の流れを制御するスイッチング素子１１、１２と、パルストランス６２、ＰＷＭ信号に基づいてパルストランス６２の二次巻線側に電圧を誘起させるパルス制御回路６１及び誘起される電圧に基づいてスイッチング素子１１、１２に印加する電圧を制御するゲート駆動回路６３により構成される駆動回路６０とを複数備え、ＰＷＭ信号を各駆動回路６０にそれぞれ送信する制御回路５０と、各駆動回路６０のパルストランス６２の一次巻線側に電力を供給する駆動用電源７０とを備えるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴなどの電圧駆動型スイッチング素子を用いて交流電源の電力を所望の周波数等の交流電力に変換する変換装置に関するものである。

従来から交流電源の周波数、電流、電圧を、所定の周波数、電流、電圧に変換して、負荷等に供給するための変換装置がある。例えば、このような装置では、電圧駆動型スイッチング素子をオン・オフ（スイッチング動作）をさせることで交流変換を行っているものがある。

例えば、その代表としてマトリクスコンバータについて説明する。マトリクスコンバータでは、２つの電圧駆動型スイッチング素子を逆並列に接続した双方向スイッチング回路が、電源の相（入力相）数×負荷の相（出力相）数（例えばどちらも３相であれば９つ）だけ設けられている。双方向スイッチング回路の各電圧駆動型スイッチング素子のスイッチング動作は、それぞれの素子に接続された駆動回路が行わせている。そして、例えば制御回路が、スイッチング動作タイミング等に合わせたＰＷＭ信号を各駆動回路に送信して駆動回路の制御を行っている（例えば特許文献１参照）。ここで、電圧駆動型スイッチング素子にスイッチング動作を行わせるため、駆動回路に電源が必要となる。

特開２００４−７２８８６号公報

しかしながら、上記のように、特許文献１に開示されたようなマトリクスコンバータでは、入力相及び出力相に合わせて基準電位を定め、入力相及び出力相の数に合わせて独立した直流駆動用電源が設けられており、しかも各電源は絶縁電源にしなければならなかった。そのため、多数の直流駆動用電源を供給する電源回路で使用する電源トランスが大型化し、装置の低コスト化を困難にしていた。また制御回路と各駆動ユニット内の駆動回路はフォトカプラなどの素子を用いて絶縁を図るように構成する必要があり、実装面積が大きくなり、小型化が困難であった。さらに、絶縁を図るために駆動回路と電圧駆動型スイッチング素子のゲート及びエミッタ配線も長くなってしまい、ノイズ等が重畳する可能性が高くなり、誤動作が発生しやすいという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スイッチング素子にスイッチング動作を行わせる駆動回路を、その絶縁性を維持しつつ簡素な構成とし、複数のスイッチング素子を用いる場合に、駆動回路に電源供給する駆動用電源を一つの電源にすることができるマトリクスコンバータ等の変換装置を得るものである。

この発明に係る変換装置は、単相又は三相の交流電源からの交流電力を、所望の周波数及び電力の交流電力に変換して負荷に供給するための変換装置において、印加される電圧に基づいて交流電力による電流の流れを制御するスイッチング素子と、パルストランス、制御信号に基づいてパルストランスの一次巻線側に流れる電流を制御して二次巻線側に電圧を誘起させる第１の回路及び二次巻線側において誘起される電圧に基づいてスイッチング素子に印加する電圧を制御する第２の回路により構成される駆動回路とを複数備え、さらに、所定のタイミングでスイッチング素子に電圧を印加させるための制御信号を、各駆動回路にそれぞれ送信する制御回路と、各駆動回路のパルストランスの一次巻線側に電力を供給する駆動用電源とを備えるものである。

この発明によれば、スイッチング素子を駆動する駆動回路について、駆動用電源から電力供給を受けてパルストランスに電圧を誘起させる第１の回路とスイッチング素子の電圧を制御する第２の回路に分けて構成するようにしたので、実際にスイッチング素子に電圧を印加する第２の回路について、各相の基準電位に合わせるようにすればよいため、基準電位に合わせた駆動用電源を独立して設ける必要がない。そのため、電源回路を安価に、かつ小型に構成することができる。また、パルストランスにより、絶縁性を維持することができるため、例えば駆動回路を構成する基板の実装面積の省スペース化、低コスト化を実現することができる。そして、パルストランスにより、電源からの供給を受ける第１の回路と実際にスイッチング素子に電圧を印加する第２の回路に分かれているので、ノイズによる誤動作を防ぐことができる。

以下に図面を参照して、この発明に係る交流−交流の変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における変換装置となるマトリクスコンバータを中心とする回路図である。本実施の形態では、三相交流電源２００による電力について、三相交流電源２００と負荷３００との間に設けられたマトリクスコンバータにより交流−交流直接変換を行って負荷３００に所定の電力を供給する場合について説明する。図１において、三相交流電源２００側のＲ、Ｓ、Ｔ相端子と負荷３００側のＵ、Ｖ、Ｗ相端子との間にそれぞれ双方向スイッチング回路１０が接続されている。

図２及び図３は双方向スイッチング回路１０の一例を表す図である。双方向スイッチング回路１０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の電圧駆動型スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子という）１１及びスイッチング素子１２を逆並列に接続して構成されている。ここで、双方向スイッチング回路１０は、双方向に電流をオン／オフできる回路であれば、基本的には、内部がどのような回路構成でもよい。例えば図２は逆阻止型ＩＧＢＴ等のスイッチング素子１１及び１２を組み合わせることにより構成した回路である。また、図３は従来のようなＩＧＢＴ等のスイッチング素子１１及び１２とダイオード１３及び１４を組み合わせることにより構成した回路である。図２の形態、図３の形態ともに、２つの片方向のスイッチング素子を互いに逆並列に接続させ、双方向スイッチを実現している。

制御回路５０は、三相交流電源２００による電圧・電流・周波数を直接変換し、負荷３００へ所望の電圧・電流・周波数の電力を出力（供給）するため、制御信号となるＰＷＭ信号を駆動回路６０に与える（送信する）。

駆動回路６０はスイッチング素子１１及び１２を駆動する（スイッチング動作を行わせる）回路である。制御回路５０の出力（ＰＷＭ信号）、直流駆動用電源７０による電力供給を直接受ける第１の回路であるパルス制御回路６１と、パルス制御回路６１の出力が一次巻線の一端に接続されているパルストランス６２と、パルストランス６２の二次巻線に接続され、スイッチング素子１１又は１２のゲート電圧を制御する第２の回路であるゲート駆動回路６３と、直流駆動用電源端子６４とで構成される。

パルス制御回路６１は、ＰＷＭ信号を所定の数のパルスに変換し、パルストランス６２の一次巻線に交流電流を供給する。これにより、パルストランス６２の一次巻線に電圧が誘起し、その電圧に基づいて、ゲート駆動回路６３がスイッチング素子１１又は１２にゲート電圧を印加している間、例えばスイッチング素子１１又は１２のエミッタ−コレクタ間が導通する。また、マトリクスコンバータの各駆動回路６０には、直流駆動用電源端子６４を介して直流駆動用電源７０から電力供給が行われる。

直流駆動用電源７０は駆動回路６０毎に設けた特別の専用電源ではなく、本実施の形態では、制御回路５０に電力を供給するための直流電源と共用した電源を用いる。直流駆動用電源７０は交流電源等からの変換を行うためのトランスを有している場合もある。駆動回路６０においては、パルストランス６２を設けているため、直流駆動用電源７０と実際にスイッチング動作に係るゲート駆動回路６３との間の電気的絶縁状態を確保することができる。そのため、直流駆動用電源７０を絶縁電源にする必要もない。

図４はマトリクスコンバータの動作（特に駆動回路６０の動作）を説明するための信号等の波形を表す図である。次に本実施の形態におけるマトリクスコンバータの駆動回路６０における動作について、ここでは、図１のマトリクスコンバータが有する１８個の駆動回路６０のうち、ある駆動回路６０の動作について説明する。

制御回路５０は、スイッチング素子１１、１２にスイッチ動作を行わせる駆動回路６０を負荷３００に供給しようとする電力の電圧・電流・周波数に基づいて駆動させるためのＰＷＭ信号を出力する（図４（ａ））。パルス制御回路６１は制御回路５０からＰＷＭ信号を受けると、そのパルス幅に応じた数のパルス電圧に変換して、パルストランス６２の一次側を流れる電流を制御する。このとき、（直流駆動用電源端子６４からパルス制御回路６１に向かって）パルストランス６２の一次側を流れる電流波形はＰＷＭ信号のパルス幅に基づく数のパルス波形となる（図４（ｂ））。

そして、パルストランス６２の一次側に流れるパルス波形の電流により、電気的に絶縁されたパルストランス６２の二次側にも電圧が誘起される（図４（ｃ））。誘起された電圧に基づいて、ゲート駆動回路６３は、スイッチング素子１１、１２のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し、スイッチング素子１１、１２をオンさせる（図４（ｄ））。

ここで、スイッチング素子１１にスイッチ動作を行わせるゲート駆動回路６３の基準電位はスイッチング素子１１のエミッタの電位と等しくなる。そして、その電位はそのスイッチング素子１１が接続されている入力相（Ｒ相、Ｓ相又はＴ相）における電位と等しくなる。一方、スイッチング素子１２にスイッチ動作を行わせるゲート駆動回路６３についてはスイッチング素子１２のエミッタの電位と等しくなる。そして、その電位はそのスイッチング素子１１が接続されている出力相（Ｕ相、Ｖ相又はＷ相）における電位と等しくなる。本実施の形態の駆動回路６０においては、ゲート駆動回路６３における基準電位が、スイッチング動作を行わせるスイッチング素子のエミッタの電位（接続された相の電位）と等しければよく、直流駆動用電源７０は特にその必要はない。そのため、入力相、出力相に合わせた複数の直流駆動用電源を設ける必要がなく、１つの電源から電力を供給することができる。また、制御回路５０に用いる直流電源と共用させることもできる。

したがって、実施の形態１のマトリクスコンバータ（変換装置）によれば、スイッチング素子１１、１２を駆動する駆動回路６０を、パルストランス６２とそのパルストランス６２に電圧を誘起させるパルス制御回路６１とスイッチング素子のゲート電圧を制御するゲート駆動回路６３で構成し、実際にスイッチング素子１１、１２にゲート電圧を印加するゲート駆動回路６３における基準電位をそのエミッタの電位と等しくなるようにしたので、各相の基準電位を考慮して電源電圧を設定し、駆動回路６０毎にそれぞれ独立した特別の電源を設ける必要がなく、単一の直流電源（直流駆動用電源７０）を用いることができる。そして、さらに制御回路５０が用いる直流電源と共用することもできる。そのため、直流電源を供給するための電源回路を安価に、かつ小型に構成することができる。また、パルストランス６２により、ゲート駆動回路６３と直流駆動用電源端子６４との間が絶縁されるため、フォトカプラ等の素子を用いる必要がなく、例えば駆動回路６０を構成する基板の実装面積の省スペース化、低コスト化を実現することができる。さらにＰＷＭ信号がオフのときには、パルス制御回路６１も停止しており、パルストランス６２の一次側には電流が流れず、パルストランス６２の二次側においても電圧が誘起しない。そのため、ゲート駆動回路６３がスイッチング素子１１、１２にゲート電圧を印加することもなく、ノイズにより、スイッチング素子１１、１２が誤動作してオンしてしまうことがない。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における変換装置を中心とする回路図である。図５において、三相交流電源２００側のＲ、Ｓ、Ｔ相端子と負荷３００側のＵ、Ｖ、Ｗ相との間に、スイッチング素子１１、１２、ダイオード１３、１４が接続されている。各スイッチング素子１１、１２のゲートとエミッタには、電圧駆動型スイッチング素子を駆動する駆動回路６０が接続されている。本実施の形態では、実施の形態１と異なり、スイッチング素子１１及びスイッチング素子１２を逆並列に接続した双方向スイッチング回路１０による回路構成は行っていない。

本実施の形態においても、駆動回路６０は、制御回路５０の出力（ＰＷＭ信号）を直接受けるパルス制御回路６１と、パルス制御回路の出力が一次巻線の一端に接続されるパルストランス６２と、パルストランス６２の二次巻線に接続され、スイッチング素子１１又は１２のゲート電圧を制御するゲート駆動回路６３と、直流駆動用電源端子６４とで構成される。そのため、駆動回路６０にスイッチング動作を行わせるための電力は、特別の専用電源からでなく、直流駆動用電源端子６４を介し、制御回路５０が使用している直流駆動用電源７０と共用することができる。

図５に示すように、本実施の形態の変換装置は、例えば高調波を規制させる役割を果たす等のため、実施の形態１の装置とはその形態が異なる。そのために変換過程も異なり、制御回路５０が各駆動回路６０にＰＷＭ信号を発生するタイミング、そのパルス幅は異なる場合があるが、三相交流電源２００による電力について、変換を行い、負荷３００に供給するという点で実施の形態１の変換装置（マトリクスコンバータ）と同じである。また、ＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子１１又は１２にスイッチング動作を行わせる各駆動回路６０内の動作についても実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

したがって、この実施の形態２の変換装置によれば、装置の形態が異なり、また変換過程が異なったとしても、実施の形態１と同様に、スイッチング素子１１、１２を駆動する駆動回路６０を、パルストランス６２とそのパルストランス６２に電圧を誘起させるパルス制御回路１６と電圧スイッチング素子１１、１２のゲート電圧を制御するゲート駆動回路６３で構成し、実際にスイッチング素子１１、１２にゲート電圧を印加するゲート駆動回路６３の基準電位をそのエミッタの電位と等しくなるようにしたので、駆動回路６０毎にそれぞれ独立した特別の電源を設ける必要がなく、単一の直流駆動用電源７０を用いることができ、電源回路を安価に、かつ小型に構成することができる。また、パルストランス６２により直流駆動電源７０とゲート駆動回路６３との間を絶縁状態にすることができるため、ノイズにより、スイッチング素子１１、１２が誤動作してオンしてしまうことがない。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における変換装置を中心とする回路図である。図６において、三相交流電源２００側のＲ、Ｓ、Ｔ相端子と負荷３００側のＵ、Ｖ、Ｗ相との間に、スイッチング素子１１、１２、ダイオード１３、１４が接続されている。各スイッチング素子１１、１２のゲートとエミッタには、電圧駆動型スイッチング素子を駆動する駆動回路６０が接続されている。本実施の形態では、実施の形態１と異なり、スイッチング素子１１及びスイッチング素子１２を逆並列に接続した双方向スイッチング回路１０による回路構成は行っていない。また、本実施の形態の変換装置はコンデンサ１５を有している点で、その構成が実施の形態１及び２の変換装置とは異なる。ここで、コンデンサ１５の容量は任意に設定することができ、例えばコンデンサ１５による平滑の程度も制御に応じて決めることができる。

本実施の形態においても、駆動回路６０は、制御回路５０の出力（ＰＷＭ信号）を直接受けるパルス制御回路６１と、パルス制御回路の出力が一次巻線の一端に接続されるパルストランス６２と、パルストランス６２の二次巻線に接続され、スイッチング素子１１又は１２のゲート電圧を制御するゲート駆動回路６３と、直流駆動用電源端子６４とで構成される。そのため、駆動回路６０にスイッチング動作を行わせるための電力は、特別の専用電源からでなく、直流駆動用電源端子６４を介し、制御回路５０が使用している直流駆動電源７０と共用することができる。

図６に示すように、本実施の形態の変換装置は、実施の形態１の装置とはその形態が異なる。そのために変換過程も異なり、制御回路５０が各駆動回路６０にＰＷＭ信号を発生するタイミング、そのパルス幅は異なる場合があるが、三相交流電源２００による電力について、変換を行い、負荷３００に供給するという点で実施の形態１の変換装置（マトリクスコンバータ）と同じである。また、ＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子１１又は１２にスイッチング動作を行わせる各駆動回路６０内の動作についても実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

したがって、この実施の形態３の変換装置によれば、装置の形態が異なり、また変換過程が異なったとしても、実施の形態１、２と同様に、駆動回路６０毎にそれぞれ独立した特別の電源を設ける必要がなく、単一の直流駆動用電源７０を用いることができ、電源回路を安価に、かつ小型に構成することができる。また、パルストランス６２により直流駆動電源７０とゲート駆動回路６３との間を絶縁状態にすることができるため、ノイズにより、スイッチング素子１１、１２が誤動作してオンしてしまうことがない。

実施の形態４．
上述の実施の形態１〜３では特に示さなかったが、スイッチング素子１１及びスイッチング素子１２を駆動させてスイッチング動作を行わせる駆動回路６０を、例えばプリント基板実装の構成ではなく、ハイブリッドＩＣで構成するようにしてもよい。

駆動回路６０をハイブリッドＩＣにより構成することで、小型化、プリント基板上の省スペース化をさらに図ることができる。加えてスイッチング素子１１、１２と駆動回路６０との間のゲート、エミッタ間の配線を短くすることができるため、ノイズ重畳等を少なくし、製品の品質を格段に上げることができる。

実施の形態５．
上述の実施の形態１〜３において、実施の形態１では変換装置としてマトリクスコンバータを用いて説明し、実施の形態２及び３においても、他の装置形態を挙げて説明した。本発明は、実施の形態１〜３の回路図の変換装置に適用を限定するものではない。

また、三相交流電源２００及び負荷３００を３相として説明したが、これに限定するものではなく、単相の場合についても適用することができる。また、電源が２相、負荷側が３相であったり、その逆であったとしても適用することができる。

また、上述の実施の形態では、制御回路５０が制御信号としてＰＷＭ信号を送信しているので、本発明に係る変換装置においても、従来の制御方法（制御回路）をそのまま用いることができる。ただ、パルストランス６２に電圧を誘起させるため、パルス制御回路６１が所定のパルス数に変換できるように制御できるのであれば、制御信号の種類は問わない。また、パルストランス６２に電圧を誘起させるための電源として交流電源を用いるようにしてもよい。

以上のように、この発明に係る変換装置は、小型軽量化、省スペース化、低コストを図るのに、さらに製品の品質向上するのに有用である。

実施の形態１に係るマトリクスコンバータを中心する回路図である。 双方向スイッチング回路１０の一例を表す詳細回路図である。 双方向スイッチング回路１０の他の一例を表す詳細回路図である。 マトリクスコンバータの動作を説明する信号等の波形を表す図である。 実施の形態２における変換装置を中心とする回路図である。 実施の形態３における変換装置を中心とする回路図である。

符号の説明

１０ 双方向スイッチング回路、１１，１２ スイッチング素子（電圧駆動型スイッチング素子）、１３，１４ ダイオード、１５ コンデンサ、５０ 制御回路、６０ 駆動回路、６１ パルス制御回路、６２ パルストランス、６３ ゲート駆動回路、６４ 直流駆動用電源端子、７０ 直流駆動用電源、２００ 三相交流電源、３００ 負荷。

Claims (4)

1. 単相又は三相の交流電源からの交流電力を、所望の周波数及び電力の交流電力に変換して負荷に供給するための変換装置において、
   印加される電圧に基づいて前記交流電力による電流の流れを制御するスイッチング素子と、
   パルストランス、制御信号に基づいて前記パルストランスの一次巻線側に流れる電流を制御して二次巻線側に電圧を誘起させる第１の回路及び前記二次巻線側において誘起される電圧に基づいて前記スイッチング素子に印加する電圧を制御する第２の回路により構成される駆動回路とを複数備え、さらに、
   所定のタイミングで前記スイッチング素子に電圧を印加させるための前記制御信号を、各駆動回路にそれぞれ送信する制御回路と、
   各駆動回路のパルストランスの一次巻線側に電力を供給する駆動用電源と
   を備えることを特徴とする変換装置。
2. 前記駆動用電源は、前記制御回路にも電力を供給することを特徴とする請求項１記載の変換装置。
3. 前記制御回路は、前記制御信号としてＰＷＭ信号を前記各駆動回路にそれぞれ送信することを特徴とする請求項１又は２記載の変換装置。
4. 前記駆動回路を、ハイブリッドＩＣで構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の変換装置。
   

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