特許 7108526 電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2022-07-20

(45)【発行日】2022-07-28

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20220721BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 H

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018229817

(22)【出願日】2018-12-07

(65)【公開番号】P2020092556

(43)【公開日】2020-06-11

【審査請求日】2021-10-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河野 真吾

(72)【発明者】

【氏名】池成 達也

【審査官】土井 悠生

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－５１３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５３－１２８８２７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２００９／１４７９８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－１７８１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５２０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－７３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０５４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１４３４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ １／００－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電圧を直流に変換する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧を更に他の出力電圧に変換するコンバータと、
を備え、
前記コンバータは、
電解コンデンサとしての第１コンデンサと、
前記第１コンデンサと平行に接続され、前記第１コンデンサよりも小さい容量を有し、前記第１コンデンサよりも小さい等価直列抵抗を有する第２コンデンサと、
前記第１コンデンサと直列に接続される抵抗素子と
を備え、
前記抵抗素子の抵抗値をＲ_ｓ、前記第１コンデンサの容量値をＣ_ｃ、前記第２コンデンサの容量値をＣ_ｆ、前記コンバータにおけるスイッチング周波数をｆ_ｓｗとしたとき、前記抵抗値Ｒ_ｓは、

【数1】

を満たすことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記交流電圧のリプル周波数をｆ_ａｃとしたとき、
抵抗値Ｒ_ｓは、

【数2】

を満たす、請求項１に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＡＣ－ＤＣコンバータは、例えば、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、整流回路が出力する脈流を平滑化するための平滑回路と、平滑化された直流電圧を更に別の電圧に変換するコンバータとを備えて構成される。コンバータにはスイッチングサージを吸収するためのコンデンサが設けられる。このコンデンサには、入力される交流電力、例えば商用交流電源の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に基づくリプル（以下、「交流電源リプル」という）と、整流回路のスイッチングのためのスイッチング信号（数百ｋＨｚ）に含まれるリプル（以下「スイッチングリプル」という）が混在した電流が流れる。

【0003】

コンバータに含まれるコンデンサとしては、スイッチングリプルやスイッチングサージの吸収のため、大容量の電解コンデンサを使用する場合が多い。また、電解コンデンサの許容リプル電流が十分でない場合、電解コンデンサと共に、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサ等の低容量のコンデンサが併用される場合がある（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

一般に電解コンデンサは、単位体積当たりの容量が大きく、スイッチング周波数として利用される数百ｋＨｚ程度の周波数領域においてはインピーダンスが低いが、ＥＳＲ（等価直列抵抗）が比較的大きい。このため、電解コンデンサは、許容リプル電流が数Ａ程度のものが多い。一方、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサは、単位体積当たり容量は電解コンデンサに劣るものの、ＥＳＲが小さいため、許容リプル電流は比較的大きい。

【0005】

電力変換回路では、設計仕様の商用周波数のリプルに基づいて電解コンデンサの容量を設計するが、許容リプル電流が十分でない場合には、電解コンデンサの個数を増やしたり、より大容量の電解コンデンサを使用したりする必要がある。しかし、電解コンデンサの個数を増やしたり、大容量の電解コンデンサを使用したりすることは、電力変換効率の低下の原因となり、電気機器の小型・軽量化の要請にも沿わない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１２－０５５０８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、電解コンデンサとともに低容量のコンデンサが併用される場合において、電解コンデンサに流す電流を抑制し、これにより電解コンデンサの並列数が増加することを抑制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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る電力変換装置は、交流電圧を直流に変換する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を更に他の出力電圧に変換するコンバータとを備え、前記コンバータは、電解コンデンサとしての第１コンデンサと、前記第１コンデンサと平行に接続され、前記第１コンデンサよりも小さい容量を有し、前記第１コンデンサよりも小さい等価直列抵抗を有する第２コンデンサと、前記第１コンデンサと直列に接続される抵抗素子とを備える。
前記抵抗素子の抵抗値をＲ_ｓ、前記第１コンデンサの容量値をＣ_ｃ、前記第２コンデンサの容量値をＣ_ｆ、前記コンバータにおけるスイッチング周波数をｆ_ｓｗとしたとき、前記抵抗値Ｒ_ｓは、

【数1】

を満たすことを特徴とする。

【0009】

また、上記の［数１］に加え、前記交流電圧のリプル周波数をｆ_ａｃとしたとき、
抵抗値Ｒ_ｓは、

【数2】

を満たすのが好適である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、電解コンデンサとともに電解コンデンサよりも低容量のコンデンサが併用される場合において、電解コンデンサに流す電流を抑制し、これにより電解コンデンサの並列数が増加することを抑制することができる電力変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態に係る電力変換装置１００を説明する回路図である。

【図2】比較例に係る電力変換装置を説明する回路図である。

【図3】実施の形態の効果を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

【0013】

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

【0014】

図１を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置１００の全体構成を説明する。この電力変換装置１００は、三相の交流電源１から供給される交流電力、例えば商用交流電力を直流電力に変換する整流回路２と、直流電力の脈流成分を平滑化させる平滑化回路３と、平滑化回路３が出力する直流電圧を更に別の直流電圧に変換するコンバータ４とを備える。図示は省略するが、交流電源１は、三相の交流電力電源に代えて、単相の交流電源の電源装置としてもよく、整流回路２も、単相の交流電力を直流電力に整流する回路としてもよい。

【0015】

整流回路２は、三相交流が入力とされる場合、６個のダイオードＤ１～Ｄ６をブリッジ接続して構成され、その出力端子から交流リプル成分を有する直流電圧を出力する。平滑化回路３は、例えば整流回路２の両出力端子の間（第１ラインＬ１と第２ラインＬ２との間）に接続されるコンデンサ１１から構成される。

【0016】

また、コンバータ４は、インダクタ１２、スイッチング素子としてのトランジスタ１３、ダイオード１４、第１コンデンサ１５、抵抗素子１６、及び第２コンデンサ１７を備える昇圧型チョッパとして構成される。すなわち、コンバータ４は、平滑化回路３が出力する直流電圧Ｖｓｍを、更に異なる直流電圧Ｖｏｕｔに変換する装置である。

【0017】

インダクタ１２及びダイオード１４は、整流回路２の（＋）側出力端子に直列に接続されている。ダイオード１４は、インダクタ１２側がアノード、反対側がカソードとなるように接続される。一方、トランジスタ１３は、インダクタ１２とダイオード１４の接続ノードと（－）側出力端子との間に接続され、所定のスイッチング周波数（デューティ比）でオンオフ動作される。このデューティ比が調整されることにより、コンバータ（昇圧型チョッパ）の昇圧比が調整される。

【0018】

第１コンデンサ１５及び第２コンデンサ１７は、コンバータ４の出力端子（第１電力線Ｌ１と第２電力線Ｌ２の間）に並列に接続され、コンバータ４の出力に含まれるリプル成分を低減（平滑化）するとともに、スイッチングサージを吸収する役割を有する。コンバータ４の入力電圧（Ｖｓｍ）には、三相交流電源１からの交流電圧に基づく交流電源リプル（三相交流の場合、３００～３６０Ｈｚ程度）が含まれる。また、トランジスタ１３のスイッチング動作により、そのスイッチング周波数に基づくスイッチングリプル（数十～数百ｋＨｚ程度）が生じる。第１コンデンサ１５及び第２コンデンサ１７は、このようなリプル成分を更に減少させる役割を有する。第１コンデンサ１５は、第２コンデンサ１７よりも大きな容量を有し、出力電圧の平滑化において主たる役割を有する。第２コンデンサ１７は、より大きなリプルに対応可能とするため、第１コンデンサ１５の補助として設けられるコンデンサである。

【0019】

このため、第１コンデンサ１５としては電解コンデンサが好適に使用される。その一端はダイオード１４のカソード側であって、（＋）側出力端子から延びる第１電力線Ｌ１に接続される。第１コンデンサ１５として使用される電解コンデンサは、一例として数百μＦ程度の静電容量を有する。電解コンデンサは等価直列抵抗（ＥＳＲ）が比較的大きく、このため、許容リプル電流は一般的に数Ａ程度に制限される。また、静電容量許容差は±２０％程度である。

【0020】

抵抗素子１６は、第１コンデンサ１５の他端と、（－）側出力端子に接続された第２電力線Ｌ２との間に、第１コンデンサ１５と直列に接続される。後述するように、抵抗素子１６は、スイッチングリプルに基づく電流が電解コンデンサである第１コンデンサ１５に流れることを抑制する役割を有する。第１コンデンサ１５にスイッチングリプルに基づく電流が流れることが抑制されることで、電解コンデンサとして大型のものを使用したり、電解コンデンサの並列接続数を少なくしたりすることができる。これは、電力変換効率の向上、及び電気機器の小型・軽量化に寄与する。

【0021】

第２コンデンサ１７は、前述のように第１コンデンサ１５よりも小容量のコンデンサである。第２コンデンサ１７としては、一例としてフィルムコンデンサ又は積層セラミックコンデンサが好適に使用される。第２コンデンサ１７は、第１コンデンサ１５と並列に、第１電力線Ｌ１と第２電力線Ｌ２の間に接続されている。一例として、第２コンデンサ１７の静電容量は、第１コンデンサ１５（電解コンデンサ）の静電容量の１／１００～１／１０程度に設定される。例えば、第１コンデンサ１５の静電容量が数百μＦである場合、第２コンデンサ１７の静電容量は、例えば数μＦ～数十μＦ程度に設定され得る。第２コンデンサ１７がフィルムコンデンサや積層セラミックコンデンサである場合、その等価直列抵抗（ＥＳＲ）は、第１コンデンサ１５の等価直列抵抗（ＥＳＲ）よりも小さくなる。このため、第２コンデンサ１７の定格許容電流又は許容リプル電流も、第１コンデンサ１５に比べ大きい。

【0022】

上述のように、第１コンデンサ１５として電解コンデンサが使用され、第２コンデンサ１７としてフィルムコンデンサや積層セラミックコンデンサが使用される場合、容量が小さい第２コンデンサ１７は第１コンデンサ１５よりもインピーダンスが大きくなる。このため、単に第１コンデンサ１５と第２コンデンサ１７が並列接続された場合、十ｋＨｚ～数百ｋＨｚのスイッチングリプルに基づく電流の多くは第１コンデンサ１５を流れ、第２コンデンサ１７には殆ど流れない。この場合、第１コンデンサ１５の電流が許容リプル電流を超えてしまい、第１コンデンサ１５の加熱等が問題となる。しかし、本実施の形態では、第１コンデンサ１５と直列に抵抗素子１６を接続し、その抵抗値を適切に設定することで、この問題を解消している。

【0023】

ここで、比較例として、図１の電力変換装置１００から、抵抗素子１６を除外した装置を図２に示す。また、図３には、この比較例に比べた本実施の形態の効果を説明するグラフを示す。図３のグラフは、周波数ｆと、インピーダンスとの関係を示すグラフである。図３中、矩形のドットの曲線は、第１コンデンサ１５（４７０μＦの電解コンデンサ）のインピーダンスの周波数ｆに対する変化を示しており、菱形のドットの曲線は第２コンデンサ１７（２０μＦのフィルムコンデンサ）のインピーダンスの周波数ｆに対する変化を示しており、三角形のドットの曲線は第１コンデンサ１５（４７０μＦの電解コンデンサ）と抵抗素子１６（０．１Ω）の直列回路のインピーダンスの周波数ｆに対する変化を示している。

【0024】

図３に示すように、電解コンデンサ、フィルムコンデンサは、一般に、数百ｋＨｚ以下の周波数領域においては、周波数ｆが増加するほどインピーダンスが減少する特性を示す。しかし、電解コンデンサの容量がフィルムコンデンサよりも大幅に大きい場合、フィルムコンデンサのインピーダンスは、スイッチングリプルの周波数付近（３００～３６０ｋＨｚ）においても、電解コンデンサのインピーダンスに比べて大幅に大きい。このため、比較例（図２）のように、第１コンデンサ１５と第２コンデンサ１７が単に並列に接続される構成では、スイッチングリプル周波数（３００ｋＨｚ～３６０ｋＨｚ程度）に基づく電流の殆どが第１コンデンサ１５を流れ、第２コンデンサ１７には殆ど流れなくなってしまう。この場合、第１コンデンサ１５に流れる電流が許容リプル電流を超えてしまい、第１コンデンサ１５の加熱、更には破壊を引き起こす可能性がある。

【0025】

本実施の形態のように、第１コンデンサ１５（例：４７０μＦの電解コンデンサ）に抵抗素子１６（例：０．１Ω）を直列に接続した場合、周波数ｆ－インピーダンス特性は、図３に示す如くとなり、周波数ｆの増加に伴うインピーダンスの減少（傾き）は、比較例（図２）に比べ緩やかになる。これは、高周波領域では、容量成分に基づくインピーダンスが減少する一方で、抵抗素子１６の抵抗成分に基づくインピーダンスは一定のため、高周波領域において抵抗成分に基づくインピーダンスが支配的となるためである。抵抗素子１６の抵抗値を適切に設定することにより、スイッチングリプルの周波数（３００～３６０ｋＨｚ）付近での第１コンデンサ１５と抵抗素子１６の直列回路のインピーダンスを、第２コンデンサ１７のインピーダンスよりも大きくすることができる。この場合、スイッチングリプルに基づく電流の多くを第２コンデンサ１７に流すことができる。このため、第１コンデンサ１５を大容量化したり、並列接続数を増加させたりする必要がなくなる。

【0026】

このように、本実施の形態の電力変換装置では、スイッチングリプルの周波数（３００～３６０ｋＨｚ）付近での第１コンデンサ１５と抵抗素子１６の直列回路のインピーダンスを、第２コンデンサ１７のインピーダンスよりも大きくするよう（以下、これを「第１の条件」という）、抵抗素子１６の抵抗値Ｒｓが設定される。そのためには、次の数式が満たされる必要がある。ここで、抵抗素子１６の抵抗値をＲ_ｓ、第１コンデンサ１５の静電容量をＣ_ｃ、第２コンデンサ１７の静電容量をＣ_f、第２コンデンサ１７の容量整流回路２におけるスイッチ周波数をｆ_ｓｗとする。

【0027】

【数3】

【0028】

この［数３］から、抵抗素子１６の抵抗値Ｒ_ｓは次の式［数４］を満たすように設定される。

【0029】

【数4】

【0030】

一例として、ｆ_ａｃ＝３６０Ｈｚ、ｆ_ｓｗ＝１５０ｋＨｚ、Ｃ_ｃ＝４７０μＦ、Ｃ_ｆ＝２０μＦである場合、Ｒｓ≧０．０５０８〔Ω〕となるよう、抵抗素子１６を選択する必要がある。

【0031】

この［数４］に加え、抵抗値Ｒｓは、交流電源の周波数に基づくリプル周波数（交流電源リプル）ｆ_ａｃでの第１コンデンサ１５のインピーダンスの２０％以下に設定されることが好ましい（以下、これを「第２の条件」という）。この第２の条件は、電解コンデンサの静電容量許容差が±２０％程度であることに基づく。第２の条件が満たされることにより、第１コンデンサ１５と抵抗素子１６の直列回路のインピーダンスの周波数ｆへの依存が小さくなり、これにより図２に示すような傾きの小さい周波数－インピーダンス特性を得ることができる。そのためには、次の数式［数５］が満たされる必要がある。

【0032】

【数5】

【0033】

一例として、ｆ_ａｃ＝３６０Ｈｚ、ｆ_ｓｗ＝１５０ｋＨｚ、Ｃ_ｃ＝４７０μＦ、Ｃ_ｆ＝２０μＦである場合、Ｒｓ≦０．１８８〔Ω〕となるよう、抵抗素子１６を選択する必要がある。 第１の条件及び第２の条件の両方を満たすことが求められる場合には、［数４］と［数５］が同時に満たされることが求められる。

【0034】

以上説明したように、第１の条件が満たされるように抵抗素子１６の抵抗値Ｒ_ｓが設定されることにより、スイッチングリプルに基づく電流の多くを第１コンデンサ１５ではなく第２コンデンサ１７に流すことができ、また、第１コンデンサ１５に流れる電流を抑制することができる。これにより第１コンデンサ１５の容量を大きくしたり、並列接続数を増加させたりする必要が無くなる。これに加え、第２の条件も満たすように抵抗値Ｒ_ｓを設定すれば、第１コンデンサ１５と抵抗素子１６の直列回路のインピーダンスの周波数依存性が小さくなり、スイッチング周波数付近で第１コンデンサ１５の電流を確実に抑制することが可能になる。
なお、第１コンデンサ１５、抵抗素子１６及び第２コンデンサ１７は、必ずしも１つではなく、複数個設けてもよい。そのような複数個の素子の合計の容量値や抵抗値が、上記の条件を満たすように設定されていればよい。

【0035】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0036】

１…三相交流電源、 ２…整流回路、 ３…平滑化回路、 Ｄ１～Ｄ６…ダイオード、 Ｌ１…第１ライン、 Ｌ２…第２ライン、 １１…コンデンサ、 １２…インダクタ、 １３…トランジスタ、 １４…ダイオード、 １５…第１コンデンサ、 １６…抵抗素子、 １７…第２コンデンサ。

【図1】

【図2】

【図3】