特許 5981504 デュアル構造のパワーセルを備えるインバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5981504

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】デュアル構造のパワーセルを備えるインバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20160818BHJP

   H02M 7/5387 20070101ALI20160818BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/483

   H02M7/5387

   H02M7/48 F

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-175190(P2014-175190)

(22)【出願日】2014年8月29日

(65)【公開番号】特開2015-50931(P2015-50931A)

(43)【公開日】2015年3月16日

【審査請求日】2014年8月29日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0102913

(32)【優先日】2013年8月29日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】593121379

【氏名又は名称】エルエス産電株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＬＳＩＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100165191

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 章

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】パク チョン チェ

【審査官】 安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０７４７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７４７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０４１９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３２８７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００７６２８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００５０２５４２２（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位相シフトトランスフォーマから供給される電源の印加を受けて動作する複数のパワーセルを複数段で直列接続させて各相を構成し、
前記複数のパワーセルの各々は、互いに連結されるものの、独立に動作する第１パワーセル領域及び第２パワーセル領域からなり、
前記第１パワーセル領域と連結される第１ＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）と、前記第２パワーセル領域と連結される第２ＳＭＰＳと、前記第１ＳＭＰＳ及び前記第２ＳＭＰＳを制御するコントローラとを備えることを特徴とするデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項2】

前記第１パワーセル領域は、
前記位相シフトトランスフォーマから電源の供給を受けて整流し、突入電流防止のためのサイリスタを含む第１整流部と、
前記第１整流部と連結して、整流された電圧を平滑にして、第１直流リンク電圧を生成する第１キャパシタと、
前記第１ＳＭＰＳの制御によりスイッチングしてＰＷＭ電圧を生成する第１インバータ部とを含んで構成される、請求項１に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項3】

前記第２パワーセル領域は、
前記位相シフトトランスフォーマから電源の供給を受けて整流し、突入電流防止のためのサイリスタを含む第２整流部と、
前記第２整流部と連結されて、整流された電圧を平滑にして、ＤＣ_Ｌｉｎｋ２電圧を生成し、
前記第１キャパシタと直列に連結される第２キャパシタと、
前記第２ＳＭＰＳの制御によりスイッチングしてＰＷＭ電圧を生成し、前記第１インバータ部と接続する第２インバータ部とを含んで構成される、請求項２に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項4】

前記第１インバータ部は、各々複数の単位インバータで構成される第１インバータ群及び第２インバータ群で構成され、
前記第２インバータ部は、各々複数の単位インバータで構成される第３インバータ群及び第４インバータ群で構成される、請求項３に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項5】

前記第１インバータ群は、前記第３インバータ群と第１接点で互いに接続し、前記第２インバータ群は、前記第４インバータ群と第２接点で互いに接続する、請求項４に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項6】

前記第１接点及び前記第２接点での信号が、前記パワーセルでのＰＷＭ信号として出力される、請求項５に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項7】

一つのコントローラが備えられ、前記第１ＳＭＰＳ及び第２ＳＭＰＳを全部制御する、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【請求項8】

二つのコントローラが備えられ、各コントローラが、前記第１ＳＭＰＳ及び第２ＳＭＰＳを一つずつ制御する、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インバータに関し、詳細には従来の６層タイプのカスケードＨ−ブリッジマルチレベルインバータを変更して、高入力電圧の場合でも使用できるようにすることによって、製品開発費用及び生産費用を節減することができ、体積を減らすことができるデュアル構造のパワーセルを備えるインバータに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ、スイッチング方式電源供給装置）は、半導体素子のスイッチングプロセスを利用して電力の流れを制御することによって、各種電気／電子／通信機器の電流安定化電源として利用されている。

【0003】

近年半導体素子のスイッチング機能改善と回路の集積化技術の発展によって、ＳＭＰＳの小型軽量化が盛んになり、信頼性及び効率改善に対する研究も活発に進行している。

【0004】

従来カスケードＨ−ブリッジマルチレベルインバータの各相は、直列接続された複数の単位セルを含み、各単位セルは、独立した単相インバータ構造であり、複数の単位セルを直列に連結することによって低電圧単位セル、即ち低電圧電力用半導体を用いて高電圧を得ることができる。

【0005】

各単位セルの電源が印加される入力側は、位相シフト変圧器（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）と連結され、位相シフト変圧器は、カスケードＨ−ブリッジマルチレベルインバータの各単位セルに独立した電源を供給する。

【0006】

独立した単相インバータ構造を有する単位セルは、３相交流電源を整流するためにダイオード及びサイリスタを含む整流部、整流された電圧を平滑にするためのＤＣリンク部、及びＰＷＭ信号によってパワースイッチ素子（ＩＧＢＴ）をスイッチングしてＰＷＭ電圧を発生させるインバータ部で構成される。

【0007】

一方、各単位セルの整流部とインバータ部を制御するためにインバータにはＳＭＰＳ及びＳＭＰＳを制御するためのコントローラが備えられており、インバータに適用されるＳＭＰＳは、基本的にＤＣリンク部から出力されるＤＣ電圧を電源として用いて、コントローラのＰＷＭ信号を受けてインバータ部のパワースイッチ素子を駆動するためのＩＧＢＴゲート信号を生成する一方、サイリスタを駆動するＳＣＲゲート信号を生成して、サイリスタとパワースイッチ素子が各々ＩＧＢＴゲート信号及びＳＣＲゲート信号の入力を受けて駆動することになる。

【0008】

この時、通常のカスケードＨ−ブリッジマルチレベルインバータは、６層タイプで合わせて１８の単位セルで構成され、従って、各単位セルの動作を制御するためのＳＭＰＳ、そしてＳＭＰＳを制御するためのコントローラも単位セルと同数で備えられなければならない。

【0009】

一方、現在用いられている単位セルは、システムに入力される６６００Ｖの電圧が位相シフト変圧器を経てシフトされた６３５Ｖを入力として受けて、この時、ＤＣリンク電圧は８９０Ｖである。

【0010】

最近高圧インバータ分野においては、様々な入力電圧に対する高圧インバータの要求が増加し、これは様々なＤＣ電圧を使用できるＳＭＰＳの開発が求められることを意味する。

【0011】

現在開発されて用いられているＳＭＰＳは、単位セル基準６３５Ｖ入力に８９０ＶのＤＣ電源を用いるタイプであるため、１２７０Ｖ入力を受ける単位セルの場合には、この電圧レベルで使用できるＳＭＰＳの開発を新たに行わなければならない問題が生じる。

【0012】

特に、入力電圧が高くなる程用いられる回路の絶縁と主要スイッチング素子の正確さに制約が多くて困難が伴うだけでなく、新規開発にともなう費用が発生し、製品に対する信頼性が問題となりうる。

【0013】

従って、市場の要求に応じて、製品に対する信頼性を確保できる高圧インバータに対する考察及び研究が必要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、前記従来技術の問題を解決するために提案されたもので、従来の６層タイプのカスケードＨ−ブリッジマルチレベルインバータを変更して、高入力電圧の場合でも使用できるようにすることによって、製品開発費用及び生産費用を節減することができ、体積を減らすことができるデュアル構造のパワーセルを備えるインバータに関するものである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

前記目的を達成するための本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータは、位相シフトトランスフォーマから供給される電源の印加を受けて動作する複数のパワーセルを複数段で直列接続させて各相を構成し、前記複数のパワーセルの各々は、互いに連結され、独立に動作する第１パワーセル領域及び第２パワーセル領域からなり、前記第１パワーセル領域と連結される第１ＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）と、前記第２パワーセル領域と連結される第２ＳＭＰＳと、前記第１ＳＭＰＳ及び前記第２ＳＭＰＳを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。

【0016】

この時、前記第１パワーセル領域は、前記位相シフトトランスフォーマから電源の供給を受けて整流し、突入電流防止のためのサイリスタを含む第１整流部と、前記第１整流部と連結されて、整流された電圧を平滑にして、第１直流リンク電圧を生成する第１キャパシタと、前記第１ＳＭＰＳの制御によりスイッチングしてＰＷＭ電圧を生成する第１インバータ部とを含んで構成される。

【0017】

また、前記第２パワーセル領域は、前記位相シフトトランスフォーマから電源の供給を受けて整流し、突入電流防止のためのサイリスタを含む第２整流部と、前記第２整流部と連結されて、整流された電圧を平滑にして、第２直流リンク２電圧を生成し、前記第１キャパシタと直列に連結される第２キャパシタと、及び前記第２ＳＭＰＳの制御によりスイッチングしてＰＷＭ電圧を生成し、前記第１インバータ部と接続する第２インバータ部とを含んで構成される。

【0018】

一方、前記第１インバータ部は、各々複数の単位インバータで構成される第１インバータ群及び第２インバータ群で構成されて、前記第２インバータ部は、各々複数の単位インバータで構成される第３インバータ群及び第４インバータ群で構成される。

【0019】

この時、前記第１インバータ群は、前記第３インバータ群と第１接点で互いに接続し、前記第２インバータ群は、前記第４インバータ群と第２接点で互いに接続するように構成される。

【0020】

ここで、前記第１接点及び前記第２接点での信号が、前記パワーセルでのＰＷＭ信号として出力されることを特徴とする。

【0021】

一方、本発明によると、一つのコントローラが備えられて、前記第１ＳＭＰＳ及び第２ＳＭＰＳを全部制御するように構成してもよい。

【0022】

選択的に、二つのコントローラが備えられ、各々のコントローラが、前記第１ＳＭＰＳ及び第２ＳＭＰＳを一つずつ制御するように構成してもよい。

【発明の効果】

【0023】

本発明の構成によると、従来６３５Ｖといった低電圧の入力を受ける２つのパワーセルからなるデュアル構造の一つのパワーセルを構成し、デュアル構造のパワーセルのインバータ部が互いに連結される接点での電圧をＰＷＭ電圧で出力すれば、１２７０Ｖのような高電圧の入力を受けて動作するパワーセルを構成することができる。

【0024】

従って、従来６３５Ｖの電圧の入力を受けるパワーセルを制御するためのＳＭＰＳをそのまま使用できるので、１２７０Ｖ電圧のような高電圧の入力を受けて動作するパワーセルのための別途のＳＭＰＳ開発のための追加的な開発費用及び生産費用を節減することができる。

【0025】

また、一つのコントローラを利用して二つのＳＭＰＳを制御すると、コントローラの使用を減らすことができるため、生産単価が節減でき、インバータの体積を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータを図示した図面である。

【図2】本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータのパワーセルの構造でのＳＭＰＳとコントローラの関係を図示した図面である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。この過程で図面に図示された線の厚さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上誇張して図示することがある。また、後述の用語は、本発明での機能を考慮して、定義された用語であり、これは使用者、運用者の意図または慣例により変わりうる。従って、このような用語に対する定義は、本明細書全般にわたった内容に基づいて、行わなければならない。

【0028】

図１は、本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータを示した図面であり、図２は、本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータのパワーセルの構造でのＳＭＰＳとコントローラの関係を示した図面である。

【0029】

図１及び図２を参照すると、本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータは、独立した電源を供給する位相シフトトランスフォーマ２０と連結されて、前記位相シフトトランスフォーマ２０から供給される電源の印加を受けて動作する複数のパワーセルを複数段で直列接続させて各相を構成し、前記各相は多相電動機３０に電力を供給する。

【0030】

この時、前記複数のパワーセルは、３段で構成される９つのパワーセル１１〜１９に配置され、複数の各々のパワーセル１１〜１９は、図２に示されたパワーセル１０の構造から確認できるように、第１及び第２パワーセル領域１０ａ、１０ｂからなるデュアル構造を有する。

【0031】

さらに、本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータ１は、前記第１パワーセル領域１０ａと連結される第１ＳＭＰＳ２１０と、前記第２パワーセル領域と連結される第２ＳＭＰＳ２２０と、前記第１ＳＭＰＳ２１０及び前記第２ＳＭＰＳ２２０を制御するコントローラ３００を備えて構成される。

【0032】

この時、第１パワーセル領域１０ａは、第１整流部１１０、第１キャパシタ１３０及び第１インバータ部１５０で構成され、前記第２パワーセル領域１０ｂは、第２整流部１２０、第２キャパシタ１４０及び第２インバータ部１６０で構成される。

【0033】

ここで、前記第１パワーセル領域１０ａの構成と第２パワーセル領域１０ｂの構成は、独立に動作する。

【0034】

前記第１整流部１１０は、前記位相シフトトランスフォーマ２０から独立した電源の供給を受けて、３相交流電源を整流するためのもので、ダイオード及び突入電流防止のためのサイリスタ（ＳＣＲ１〜ＳＣＲ３）を含む。

【0035】

同様に、前記第２整流部１２０も前記位相シフトトランスフォーマ２０から独立した電源の供給を受けて、３相交流電源を整流するためのもので、ダイオード及び突入電流防止のためのサイリスタ（ＳＣＲ４〜ＳＣＲ６）を含む。

【0036】

前記第１キャパシタ１３０は、前記第１整流部１１０と連結されて、前記第１整流部１１０により整流された電圧を平滑にして、前記第２キャパシタ１４０は、前記第２整流部１２０と連結されて、前記第２整流部１２０により整流された電圧を平滑にして、各々第１直流リンク（ＤＣ_Ｌｉｎｋ１）電圧及び第２直流リンク（ＤＣ_Ｌｉｎｋ２）電圧を生成する。

【0037】

この時、前記第１キャパシタ１３０と前記第２キャパシタ１４０は、互いに直列に連結されるように構成される。

【0038】

前記第１ＳＭＰＳ２１０は、前記第１キャパシタ１３０により生成される前記第１直流リンク（ＤＣ_Ｌｉｎｋ１）電圧を電源として、前記第１整流部１１０のサイリスタ（ＳＣＲ１〜ＳＣＲ３）の駆動を制御するためのサイリスタゲート信号（ＳＣＲ_Ｇ１〜ＳＣＲ_Ｇ３）を生成する一方、前記第１インバータ部１５０の単位インバータ（Ｉ１〜Ｉ４）の動作を制御するインバータゲート信号（ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４）を生成する。

【0039】

また、前記第１ＳＭＰＳ２１０は、前記第１直流リンク（ＤＣ_Ｌｉｎｋ１）電圧を検出して、前記コントローラ３００に伝送し、前記コントローラ３００からＰＷＭ信号の印加を受けて、前記単位インバータ（Ｉ１〜Ｉ４）のインバータゲート信号（ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４）を生成する。

【0040】

一方、前記第２ＳＭＰＳ２２０は、前記第２キャパシタ１４０により生成される前記第２直流リンク（ＤＣ_Ｌｉｎｋ２）電圧を電源として、前記第２整流部１２０のサイリスタ（ＳＣＲ４〜ＳＣＲ６）の駆動を制御するためのサイリスタゲート信号（ＳＣＲ_Ｇ１〜ＳＣＲ_Ｇ３）を生成する一方、前記第２インバータ部１６０の単位インバータ（Ｉ５〜Ｉ８）の動作を制御するインバータゲート信号（ＩＧＢＴ５〜ＩＧＢＴ８）を生成する。

【0041】

また、前記第２ＳＭＰＳ２２０は、前記第２直流リンク（ＤＣ_Ｌｉｎｋ２）電圧を検出して、前記コントローラ３００に伝送し、前記コントローラ３００からＰＷＭ信号の印加を受けて、前記単位インバータ（Ｉ５〜Ｉ８）のインバータゲート信号（ＩＧＢＴ５〜ＩＧＢＴ８）を生成する。

【0042】

前記第１インバータ部１５０は、複数の単位インバータ（Ｉ１〜Ｉ４）で構成され、前記第１ＳＭＰＳ２１０のインバータゲート信号（ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４）の印加を受けてスイッチングしてＰＷＭ電圧を生成する。

【0043】

この時、前記第１インバータ部１５０は、互いに並列に連結される第１インバータ群１５１と第２インバータ群１５２で構成され、前記第１インバータ群１５１は、直列に連結される複数の単位インバータ（Ｉ１、Ｉ３）で構成され、前記第２インバータ群１５２は、直列に連結される複数の単位インバータ（Ｉ２、Ｉ４）で構成してもよい。

【0044】

前記第２インバータ部１６０は、複数の単位インバータ（Ｉ５〜Ｉ８）で構成されて、前記第２ＳＭＰＳ２２０のインバータゲート信号（ＩＧＢＴ５〜ＩＧＢＴ８）の印加を受けてスイッチングしてＰＷＭ電圧を生成する。

【0045】

この時、前記第２インバータ部１６０は、互いに並列に連結される第３インバータ群１６１と第４インバータ群１６２で構成され、前記第３インバータ群１６１は、直列に連結される複数の単位インバータ（Ｉ５、Ｉ７）で構成されて、前記第４インバータ群１６２は、直列に連結される複数の単位インバータ（Ｉ６、Ｉ８）で構成してもよい。

【0046】

一方、前記第１インバータ部及び第２インバータ部１５０、１６０は、互いに直列に連結されて、前記第１及び第２インバータ１５０、１６０が連結される接点での信号がＰＷＭ電圧として出力される。

【0047】

即ち、第１インバータ部１５０の第１インバータ群１５１と第２インバータ部１６０の第３インバータ群１６１が、第１接点（Ｓ１）で互いに接続し、第１インバータ部１５０の第２インバータ群１５２と第２インバータ部１６０の第４インバータ群１６２が、第２接点（Ｓ２）で互いに接続する。

【0048】

この時、前記第１接点（Ｓ１）と前記第２接点（Ｓ２）での信号が、パワーセル１０のＰＷＭ電圧として出力される。

【0049】

前記コントローラ３００は、前記第１ＳＭＰＳ２１０及び第２ＳＭＰＳ２２０にＰＷＭ信号を出力し、前記第１ＳＭＰＳ２１０及び第２ＳＭＰＳ２２０は、前記ＰＷＭ信号によりインバータゲート信号（ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ８）を生成する。

【0050】

一方、本実施形態では、前記コントローラ３００が一つ備えられて、前記第１ＳＭＰＳ２１０及び第２ＳＭＰＳ２２０を全部制御する構成を一例として説明するが、二つのコントローラが備えられて、二つの各コントローラが前記第１ＳＭＰＳ及び第２ＳＭＰＳ２２０を制御するように構成してもよい。

【0051】

以上のような本発明によると、従来６３５Ｖの電圧の入力を受ける２つのパワーセルからなるデュアル構造の一つのパワーセルを構成し、デュアル構造のパワーセルのインバータ部が互いに連結される接点での電圧をＰＷＭ電圧で出力すれば、１２７０Ｖの電圧の入力を受けて動作するパワーセルを構成することができる。

【0052】

また、このように構成すれば、従来６３５Ｖの電圧の入力を受けるパワーセルを制御するためのＳＭＰＳをそのまま使用できるため、１２７０Ｖ電圧のような高電圧の入力を受けて動作するパワーセルのための別途のＳＭＰＳ開発のための追加的な開発費用及び生産費用を節減することができる。

【0053】

また、本実施形態のように、一つのコントローラを利用して二つのＳＭＰＳを制御すると、コントローラの使用を減らすことができるため、生産単価が節減でき、インバータの体積を減らすことができる。

【0054】

一方、本発明に係るデュアル構造のパワーセルを備えるインバータを限定された実施形態を通して説明したが、本発明の範囲は、特定実施形態に限定されるのではなく、本発明と関連して通常の知識を有する者に自明な範囲内で種々の代案、修正及び変更して実施することができる。

【0055】

従って、本発明に記載された実施形態及び添付図面は、本発明の技術思想を限定するためのものでなく説明するためのものであって、このような実施形態及び添付図面によって本発明の技術思想の範囲が限定されるのではない。本発明の保護範囲は請求範囲によって解釈されるべきで、これと同等な範囲内にあるいずれの技術思想は、本発明の権利範囲に含まれると解釈されなければならない。

【符号の説明】

【0056】

１ インバータ
１０〜１９ パワーセル
１０ａ 第１パワーセル領域
１０ｂ 第２パワーセル領域
２０ 位相シフトトランスフォーマ
３０ 多相電動機
１１０ 第１整流部
１２０ 第２整流部
１３０ 第１キャパシタ
１４０ 第２キャパシタ
１５０ 第１インバータ部
１５１ 第１インバータ群
１５２ 第２インバータ群
１６０ 第２インバータ部
１６１ 第３インバータ群
１６２ 第４インバータ群
Ｉ１〜Ｉ８ 単位インバータ
ＳＣＲ１〜ＳＣＲ６ サイリスタ

【図1】

【図2】