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公開番号2025088829
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-12
出願番号2023203567
出願日2023-12-01
発明の名称電力変換器
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人平木国際特許事務所
主分類H02M 7/487 20070101AFI20250605BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】スイッチング素子間のサージ電圧および損失のアンバランスを是正でき、電力効率を高めることができる電力変換器を提供する。
【解決手段】電力変換器は、第1と第2のキャパシタと、第1から第6のスイッチング素子と、負荷と、を有し、第3出力状態と第1出力状態との切り替えは第2デッドタイム状態を経由し、第3出力状態と第2出力状態との切り替えは第1デッドタイム状態を経由し、第3出力状態と第2デッドタイム状態との間で互いに遷移する際、第5のスイッチング素子は第3のスイッチング素子より先にターンオンを完了するかまたは遅れてターンオフを完了するかの少なくともいずれかの動作を実行し、または、第3出力状態と第1デッドタイム状態との間で互いに遷移する際、第6のスイッチング素子は第2のスイッチング素子より先にターンオンを完了するかまたは遅れてターンオフを完了するかの少なくともいずれかの動作を実行する。
【選択図】図8
特許請求の範囲【請求項１】
直流電源の正極と負極間に第１と第２のキャパシタを直列に接続し、前記直流電源の正極と負極間にさらに第１から第４のスイッチング素子を直列に接続し、前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と前記第１と第２のキャパシタの接続点との間には第５のスイッチング素子を接続し、前記第３と第４のスイッチング素子の接続点と前記第１と第２のキャパシタの接続点との間には第６のスイッチング素子を接続し、前記第２と第３のスイッチング素子の接続点と負荷とを接続する電力変換器であって、
前記第１、第２及び第６のスイッチング素子がＯＮであり、前記第３、第４及び第５のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第１出力状態とし、前記第３、第４及び第５のスイッチング素子がＯＮであり、前記第１、第２及び第６のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第２出力状態とし、前記第２、第３、第５及び第６のスイッチング素子がＯＮであり、前記第１及び第４のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第３出力状態とし、
前記第３及び第５のスイッチング素子がＯＮであり、前記第１、第２、第４及び第６のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第１デッドタイム状態とし、前記第２及び第６のスイッチング素子がＯＮであり、前記第１、第３、第４及び第５のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第２デッドタイム状態とし、
前記第３出力状態と第１出力状態との切り替えは前記第２デッドタイム状態を経由し、前記第３出力状態と第２出力状態との切り替えは前記第１デッドタイム状態を経由し、
前記第３出力状態と前記第２デッドタイム状態との間で互いに遷移する際、前記第５のスイッチング素子は前記第３のスイッチング素子より先にターンオンを完了するかまたは遅れてターンオフを完了するかの少なくともいずれかの動作を実行し、または、前記第３出力状態と前記第１デッドタイム状態との間で互いに遷移する際、前記第６のスイッチング素子は前記第２のスイッチング素子より先にターンオンを完了するかまたは遅れてターンオフを完了するかの少なくともいずれかの動作を実行する、
ことを特徴とする電力変換器。
続きを表示（約 2,200 文字）【請求項２】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第３出力状態から前記第２デッドタイム状態に遷移する際、前記第５のスイッチング素子は、前記第３のスイッチング素子のゲート電圧が下降し始めてから主電流が下降し始めるまでの時間分以上遅れてターンオフを開始する、または、
前記第３出力状態から前記第１デッドタイム状態に遷移する際、前記第６のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子のゲート電圧が下降し始めてから主電流が下降し始めるまでの時間分以上遅れてターンオフを開始する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第２デッドタイム状態から前記第３出力状態に遷移する際、前記第５のスイッチング素子は、該第５のスイッチング素子のゲート電圧が上昇し始めてから主電流が上昇し始めるまでの時間分以上、前記第３のスイッチング素子のターンオン開始より先にターンオンを開始する、または、
前記第１デッドタイム状態から前記第３出力状態に遷移する際、前記第６のスイッチング素子は、該第６のスイッチング素子のゲート電圧が上昇し始めてから主電流が上昇し始めるまでの時間分以上、前記第２のスイッチング素子のターンオン開始より先にターンオンを開始する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第５のスイッチング素子のターンオンスピードが前記第３のスイッチング素子のターンオンスピードより速くなるよう、前記第５のスイッチング素子のターンオン駆動抵抗を前記第３のスイッチング素子のターンオン駆動抵抗より低く設定する、または、
前記第６のスイッチング素子のターンオンスピードが前記第２のスイッチング素子のターンオンスピードより速くなるよう、前記第６のスイッチング素子のターンオン駆動抵抗を前記第２のスイッチング素子のターンオン駆動抵抗より低く設定する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第５のスイッチング素子のターンオンスピードが前記第３のスイッチング素子のターンオンスピードより速くなるよう、前記第５のスイッチング素子のターンオンゲート電流を前記第３のスイッチング素子のターンオンゲート電流より高く設定する、または、
前記第６のスイッチング素子のターンオンスピードが前記第２のスイッチング素子のターンオンスピードより速くなるよう、前記第６のスイッチング素子のターンオンゲート電流を前記第２のスイッチング素子のターンオンゲート電流より高く設定する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第５のスイッチング素子のターンオフスピードが前記第３のスイッチング素子のターンオフスピードより遅くなるよう、前記第５のスイッチング素子のターンオフ駆動抵抗を前記第３のスイッチング素子のターンオン駆動抵抗より高く設定する、または、
前記第６のスイッチング素子のターンオフスピードが前記第２のスイッチング素子のターンオフスピードより遅くなるよう、前記第６のスイッチング素子のターンオフ駆動抵抗を前記第２のスイッチング素子のターンオフ駆動抵抗より高く設定する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第５のスイッチング素子のターンオフスピードが前記第３のスイッチング素子のターンオンスピードより遅くなるよう、前記第５のスイッチング素子のターンオフゲート電流を前記第３のスイッチング素子のターンオンゲート電流より低く設定する、または、
前記第６のスイッチング素子のターンオフスピードが前記第２のスイッチング素子のターンオフスピードより遅くなるよう、前記第６のスイッチング素子のターンオフゲート電流を前記第２のスイッチング素子のターンオフゲート電流より低く設定する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第５のスイッチング素子の閾値電圧が前記第３のスイッチング素子の閾値電圧より低くなるよう、前記第５のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子を選定する、または、
前記第６のスイッチング素子の閾値電圧が前記第２のスイッチング素子の閾値電圧より低くなるよう、前記第６のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を選定する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項９】
請求項１に記載の電力変換器であって、
前記第５のスイッチング素子のＯＦＦ時ゲート電圧が前記第３のスイッチング素子のＯＦＦ時ゲート電圧より高くなるよう、前記第５のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子のＯＦＦ時ゲート電圧を調整する、または、
前記第６のスイッチング素子のＯＦＦ時ゲート電圧が前記第２のスイッチング素子のＯＦＦ時ゲート電圧より高くなるよう、前記第６のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のＯＦＦ時ゲート電圧を調整する、
ことを特徴とする電力変換器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、３レベルインバータを含む電力変換器に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換器の高バス電圧化のニーズに対して、マルチレベルインバータが活発的に検討されている。例えば、特許文献１にはＡＮＰＣ（ＡｃｔｉｖｅＮｅｕｔｒａｌ－Ｐｏｉｎｔ－Ｃｌａｍｐｅｄ）というマルチレベルインバータの回路が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００５－１７６５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術においては、スイッチング素子間におけるサージ電圧及び損失のアンバランスがあり、電力効率や信頼性の低下という課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング素子間のサージ電圧及び損失のアンバランスを是正でき、電力効率を高めることができる電力変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電力変換器は、直流電源の正極と負極間に第１と第２のキャパシタを直列に接続し、直流電源の正極と負極間にさらに第１から第４のスイッチング素子を直列に接続し、第１と第２のスイッチング素子の接続点と第１と第２のキャパシタの接続点との間には第５のスイッチング素子を接続し、第３と第４のスイッチング素子の接続点と第１と第２のキャパシタの接続点との間には第６のスイッチング素子を接続し、第２と第３のスイッチング素子の接続点と負荷とを接続する電力変換器であって、第１、第２及び第６のスイッチング素子がＯＮであり、第３、第４及び第５のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第１出力状態とし、第３、第４及び第５のスイッチング素子がＯＮであり、第１、第２及び第６のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第２出力状態とし、第２、第３、第５及び第６のスイッチング素子がＯＮであり、第１及び第４のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第３出力状態とし、第３及び第５のスイッチング素子がＯＮであり、第１、第２、第４及び第６のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第１デッドタイム状態とし、第２及び第６のスイッチング素子がＯＮであり、第１、第３、第４及び第５のスイッチング素子がＯＦＦの状態を第２デッドタイム状態とし、第３出力状態と第１出力状態との切り替えは第２デッドタイム状態を経由し、第３出力状態と第２出力状態との切り替えは第１デッドタイム状態を経由し、第３出力状態と第２デッドタイム状態との間で互いに遷移する際、第５のスイッチング素子は第３のスイッチング素子より先にターンオンを完了するかまたは遅れてターンオフを完了するかの少なくともいずれかの動作を実行し、または、第３出力状態と第１デッドタイム状態との間で互いに遷移する際、第６のスイッチング素子は第２のスイッチング素子より先にターンオンを完了するかまたは遅れてターンオフを完了するかの少なくともいずれかの動作を実行する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、スイッチング素子間のサージ電圧および損失のアンバランスを是正でき、電力効率を高めることができる電力変換器を提供することが可能になる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の課題、構成および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
参考例に係る電力変換器を示す概要図。
図１のＵ相を示す回路図。
参考例におけるＡＮＰＣインバータの制御方式を表す状態転移図。
参考例におけるＡＮＰＣインバータの制御方式を表すタイムチャート。
負サイクルにおいてスイッチング損失とスイッチングサージが発生するケースを説明するための図。
参考例におけるスイッチングサージ電圧および損失を比較するための図。
本発明の実施例１におけるＡＮＰＣインバータの制御方式を表す状態転移図。
本発明の実施例１におけるＡＮＰＣインバータの制御方式を表すタイムチャート。
状態Ｏと状態Ｏｅｃのときに流れる電流を説明するための図。
本発明の実施例１におけるスイッチングサージ電圧および損失を比較するための図。
実施例１において、スイッチング遅延時間の差を説明するためのタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず以下では、本実施例を理解するに際して有用となる参考例について図面に沿って説明する。以下では、三相インバータ電力変換装置を例とするが、単相インバータ、多相インバータ、コンバータにも適用することが可能である。
図１は、特許文献１にも記載されている、三相インバータ電力変換器を示す概要図である。図１の装置は３相を持つ３ｌｅｖｅｌＡＮＰＣ（ＡｃｔｉｖｅＮｅｕｔｒａｌ－Ｐｏｉｎｔ－Ｃｌａｍｐｅｄ）インバータ（以下では単にＡＮＰＣインバータと呼称する）である。図１に示すように、ＡＮＰＣインバータにおいては直流電源Ｖｄｃ１とＶｄｃ２は直列に接続される。直流電源Ｖｄｃ１の高電位端子はＰ端子、直流電源Ｖｄｃ１とＶｄｃ２との接続点は中電位端子のО端子、直流電源Ｖｄｃ２の低電位端子はＮ端子とする。Ｐ端子とО端子は平滑用のキャパシタＣ１が接続され、О端子とＮ端子との間にも平滑用のキャパシタＣ２が接続される。キャパシタＣ１およびＣ２は複数個並列接続されてもよい。Ｐ、Ｏ、Ｎ端子はさらにＵ、Ｖ、Ｗ相となる主回路部分が接続される。
【００１０】
Ｕ相を例として具体的構成を図２で説明する。図２（ａ）に示すように、Ｕ相は第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、第３スイッチング素子Ｑ３、第４スイッチング素子Ｑ４、第５スイッチング素子Ｑ５、および第６スイッチング素子Ｑ６を備える。各スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであるが、これに限ったものではなく、半導体スイッチング素子とダイオードの並列接続体であってもよい。また半導体スイッチング素子は例えば、ＭＯＳＦＥＴ以外にもＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子であってよい。ダイオードは例えば、ＰＮ接合型ダイオード、ショットキーバリアダイオードなどのダイオードであってよい。以上のスイッチング素子の材料はＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＯなどの材料であってよい。また、以上のスイッチング素子を２種類以上ハイブリッド実装してもよい。図２（ａ）においてはキャパシタの図示は省略している。なお以下では冗長な表現を避けるために「スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６」を単に「Ｑ１～Ｑ６」と呼称することがある。
（【００１１】以降は省略されています）

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