电力转换装置

技术领域

本发明涉及电力转换装置，涉及抵消基于例如以逆变器为代表的电力用半导体元件的通断动作而进行电力转换时产生的共模电压的方式。

背景技术

近年来，例如对于以电机为负载进行运转控制的电压型PWM逆变器等电力转换装置，伴随着应用范围的扩大和电力用半导体元件的特性提高，电压型PWM逆变器的载波频率的高频化得到发展。

但是，随着这样的电压型PWM逆变器的高频化发展，电压型PWM逆变器产生的电磁干扰(EMI：electromagnetic interference)成为大问题。

电压型PWM逆变器产生电磁干扰的原因主要在于流过接地线的电流。

对于这一点，在日本特开2001－268922号公报中，提出了使用线圈来抑制逆变器输出的共模电压、减小泄漏电流的方式。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001－268922号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，上述公报所记载的技术存在因为线圈的漏电感的影响而输出共模电压的衰减量低的问题。

本发明是为了消除上述那样的问题而提出的，目的是提供一种提高共模电压的衰减效果的电力转换装置。

用来解决课题的手段

遵循本发明的一个技术方案的使电力用半导体元件进行通断动作而进行电力转换的电力转换装置，具备：电压检测机构，检测在电力用半导体元件的通断动作时产生的共模电压；电压叠加机构，使由电压检测机构检测到的共模电压叠加于电力转换装置的输出，将在使电力用半导体元件进行通断动作时产生的通断频率以上的共模电压抵消；以及残留电压检测机构，检测由电压叠加机构叠加的电力转换装置的共模电压。电压叠加机构包括用于加上由残留电压检测机构检测到的共模电压而将其叠加到电力转换装置的输出的反馈机构。电压检测机构由第1扼流线圈和第1电容器构成。

优选的是，还具备用来降低基于第1扼流线圈的漏电感的共振的影响的阻尼器。

优选的是，阻尼器包括第2扼流线圈和电阻。

优选的是，阻尼器还包括第2电容器。由电阻和第2电容器形成高频截止滤波器。

优选的是，电压检测机构还包括检测共模电压的高频成分的检测高速化电路。

优选的是，残留电压检测机构包括：检测用电容器，检测残留在电力转换装置的输出的各相的共模电压；以及检测用电阻，与检测用电容器串联连接。

发明效果

本发明的电力转换装置能够使输出共模电压的衰减效果提高。

附图说明

图1是说明基于比较例的电机控制系统100的结构的图。

图2是说明基于实施方式1的电机控制系统1的结构的图。

图3是说明基于实施方式1的共模抑制电路17的针对共模的等价电路的图。

图4是对共模电压波形进行说明的图。

图5是说明共模电压的衰减量的图。

图6是说明基于实施方式1的共模抑制电路17的针对共模的等价电路的另一图。

图7是对开环传递函数的增益及相位进行说明的图。

图8是说明基于实施方式2的电机控制系统1#的结构的图。

图9是说明基于实施方式2的阻尼器电路的结构的图。

图10是说明基于实施方式2的共模抑制电路17#的针对共模的等价电路的图。

图11是对插入阻尼器电路25后的共振频率的增益及相位进行说明的图。

图12是对共模电压检测电路7的共模电压的检测进行说明的图。

图13是说明基于实施方式3的电机控制系统1#A的结构的图。

图14是说明基于实施方式3的变形例的电机控制系统1#B的结构的图。

图15是对基于实施方式4的残留共模电压检测电路进行说明的图。

具体实施方式

参照附图对本实施方式详细地进行说明。另外，对于图中的相同或相当的部分赋予相同的标号，不重复其说明。

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

[比较例]

图1是说明基于比较例的电机控制系统100的结构的图。

参照图1，电机控制系统100包括交流电动机6和电力转换装置20。

电力转换装置20包括电压型PWM逆变器4和抑制共模电压的共模抑制电路70。

电压型PWM逆变器4(也简称作逆变器)与直流电源3连接，将该直流电压通过电力用半导体元件(IGBT、MOSFET等)的通断动作转换为三相的交流电压。

由逆变器4转换的交流电压经由三相线缆5与交流电动机(电机)6连接，该交流电动机6的框架经由接地线与接地电压GND连接。

在逆变器4与交流电动机(电机)6之间设置有共模抑制电路70。

共模抑制电路70包括：共模电压检测电路7，与逆变器4的三相交流输出端星形连接，检测共模电压；共模变压器11，向一次侧线圈输入共模电压，其二次侧线圈设置于三相线缆5；以及电容器10A、10B。

共模电压检测电路7包括电容器7A～7C和扼流线圈7D～7F。扼流线圈7D～7F与共模变压器11和逆变器4之间的三相线缆5连接。扼流线圈7D～7F形成非零相扼流线圈组。电容器7A～7C与扼流线圈7D～7F分别串联地连接。

电容器7A～7C星形连接，与共模变压器11的一次侧线圈的一端侧连接。

电容器10A、10B与直流电源3串联连接，其连接节点NA与共模变压器11的一次侧线圈的另一端侧连接。

共模电压检测电路7的输出端与共模变压器11的一次侧连接，按照共模变压器11的励磁电感对共模电压叠加反相的电压。由此，是将共模电压抵消的方式。

另一方面，实际上共模电压检测电路7由扼流线圈形成，产生漏电感。由于该漏电感，共模变压器的耦合率变差，存在共模电压的抑制不充分的情况。

[实施方式1]

图2是说明基于实施方式1的电机控制系统1的结构的图。

参照图2，电机控制系统1包括交流电动机6和本发明的电力转换装置2。另外，交流电动机包括感应电机及同步电机的任一种。

电力转换装置2包括电压型PWM逆变器4和抑制共模电压的共模抑制电路17。

电力转换装置2与电力转换装置20相比，将共模抑制电路70替换为共模抑制电路17这一点不同。关于其他的结构是相同的。

共模抑制电路17包括：共模电压检测电路7，与逆变器4的三相交流输出端星形连接，检测共模电压；共模变压器11，向一次侧线圈输入共模电压，其二次侧线圈设置于三相线缆5；残留共模电压检测电路8；以及反馈电路9。

共模电压检测电路7包括电容器7A～7C和扼流线圈7D～7F。扼流线圈7D～7F与共模变压器11和逆变器4之间的三相线缆5连接。扼流线圈7D～7F形成非零相扼流线圈组。电容器7A～7C与扼流线圈7D～7F分别串联连接。

电容器7A～7C星形连接，与共模变压器11的一次侧线圈的一端侧连接。

残留共模电压检测电路8包括与共模变压器11和交流电动机6之间的三相线缆5星形连接，检测残留的共模电压的电容器8A～8C。

反馈电路9还包括运算放大器CP、电阻R0、R1、进行电力放大的使用了互补晶体管的推拉(push-pull)式发射极跟随器电路、电容器10A、10B和直流电源3A、3B。

发射极跟随器电路与直流电源3A、3B串联连接，包括基极与运算放大器CP的输出连接的双极晶体管Tr3、Tr4。

另外，在本例中，对为了放大运算放大器CP的可输出电流而设置发射极跟随器电路(双极晶体管Tr3、Tr4)的结构进行说明，但也可以设为不设置该发射极跟随器电路的结构。

电容器10A、10B与直流电源3串联连接，其连接节点NA与运算放大器CP的一侧(+侧)的输入连接。此外，连接节点NA也与直流电源3A、3B之间的连接节点连接。

运算放大器CP的另一侧(-侧)的输入经由电阻R1与残留共模电压检测电路8连接。此外，在运算放大器CP的另一侧(-侧)的输入与发射极跟随器电路的输出之间设置电阻R0。

图3是说明基于实施方式1的共模抑制电路17的针对共模的等价电路的图。

参照图3，电容C表示电动机的绕组与框架间的杂散电容，电感L表示路径整体的配线的电感，电阻R表示路径整体的配线的电阻成分。励磁电感L

共模电压检测电路7由作为非零相扼流的漏电感Ll与作为电容器7A、7B、7C的和的电容C2表示。

反馈电路9输入电压Ve，能够由输出电压Vce的电压控制电源A#表示。

电压Vinv是逆变器输出的共模电压。电流Im是共模变压器的励磁电流。电流Ic是流过电机的共模电流。电压Vo是抑制共模电压后的共模电压。

在逆变器4的一个相进行了通断的情况下，逆变器4输出的共模电压Vinv以阶跃状变化。

每当逆变器4通断，逆变器4输出的零相电压即共模电压就以阶跃状变化。由此，共模电流Ic通过交流电动机(电机)6的绕组与框架间的杂散电容流过接地线。

在共模电压Vinv中，包含零相电压成分Vlow和通断频率以上的成分的电压Vhi。

因而，成为下式(1)。

Vinv＝Vlow+Vhi…(1)

由励磁电感Lm、电容器10A、10B的合成电容C4、和作为电容器7A、7B、7C的和的合成电容C2，形成共振电路。

共振频率f由下式(2)表示。

[数式1]

若设

在由共模电压检测电路7检测到的电压Vc中，包含由漏电感Ll导致的误差电压Vd，如果使用式(1)，则由下式(3)表示。

Vc＝Vinv+Vd＝Vlow+Vhi+Vd…(3)

按照电压控制电源A#的输出Vce，在等价电路中，满足下式(4)的关系。

Vt＝Vc+Vce-Vcap…(4)

电压控制电源A#的输出Vce是对由漏电感导致的误差电压进行补偿的电压。

由于共模电压的大半被电压Vc补偿，所以电压Vce的振幅与电压Vc的振幅相比足够小。因此，电压Vce的影响能够忽视，励磁电流Im主要由电压Vc决定。

因此，如果将共振频率f设定在零相电压频率与通断频率之间，则满足电压Vcap成为零相电压成分Vlow的下式(5)。

Vcap＝Vlow…(5)

抑制后的共模电压Vo根据上式(1)、式(3)、式(4)、式(5)，由下式(6)表示。

Vo＝Vinv-Vt＝(Vlow+Vhi)-(Vc+Vce-Vcap)＝(Vlow+Vhi)-((Vlow+Vhi+Vd)+Vce-(Vlow))＝Vlow-Vd-Vce…(6)

电压控制电源A#的输入Ve如果使用式(5)，则由下式(7)表示。

Ve＝Vo-Vcap＝Vo-Vlow…(7)

即，从共模电压Vo去除了零相电压成分。

电压控制电源A#的输入输出电压由下式(8)表示。

Vce＝GVe…(8)

在增益G充分大的情况下，由于虚短路Ve成为0。

因而，根据式(7)，满足下式(9)。

由于Ve＝0＝Vo-Vlow，Vo＝Vlow…(9)

此时，Vce根据式(6)，表示为下式(10)。

由于Vo＝Vlow＝Vlow-Vd-Vce，Vce＝-Vd…(10)

在共模电压Vo中仅残留零相电压成分。

电压控制电源A#将零相电压成分作为基准电位而动作，仅输入输出振幅较小的残留成分。

由于励磁电感Lm、作为电容器7A、7B、7C的和的电容C2和电容器10A、10B的合成电容C4的共振电路，电源中点和作为运算放大器的放大基准点的节点NA的电位与逆变器的零相电压Vlow相等。

由残留共模电压检测电路8的电容器8A～8C检测到的残留的共模电压在运算放大器CP反转放大，加入至共模变压器11。

通过这些动作进行反馈控制，使施加于逆变器负载的共模电压等于逆变器的零相电压，逆变器输出的共模电压中，仅通断频率以上的成分被消除。

通过将在反馈控制中使用的运算放大器的动作基准点(地)设为逆变器的输出共模电压的零相电压，能够使用低耐压、高速、便宜的运算放大器。

[实施例]

对评价上述的比较例及实施方式1的逆变器的共模电压的衰减特性的情况进行说明。

将逆变器的电源电压设为600V，将通断频率设为100kHz。另外，在交流电动机(电机)6没有连接负荷。增益G设定为10。

图4是对共模电压波形进行说明的图。

图4(A)是由比较例的共模抑制电路70进行了抑制的共模电压。

图4(B)是由基于实施方式1的共模抑制电路17进行了抑制的共模电压。

另外，将基准电位设为逆变器电源的中性点。

如该结构所示，图4(A)表示的5.8V左右的振幅在图4(B)中能够降低为0.6V左右的振幅。

图5是说明共模电压的衰减量的图。

如图5所示，对于比较例的结构，100kHz下的衰减量是40dB，但对于实施方式1的结构则衰减至60dB。可以观察到20dB的衰减量的提高。

由该图可知，在使用基于本实施方式1的共模抑制电路的情况下，抑制共模电压，对于共模电流的减小非常有效。

[实施方式2]

在实施方式2中，对精度高的共模抑制电路进行说明。

在上述的实施方式1中，对抑制由共模电压检测电路7的扼流线圈的漏电感导致的共模变压器11的耦合率的影响的方式进行了说明。

另一方面，共模电压检测电路7的漏电感有可能通过与交流电动机6的关系而产生共振频率。

图6是说明基于实施方式1的共模抑制电路17的针对共模的等价电路的另一图。

如图6所示，在等价电路中，表示了设置有共模电压检测电路7的扼流线圈的漏电感L

基于它们的共振频率通过下式(11)计算。

[数式2]

共振频率

图7是对开环传递函数的增益及相位进行说明的图。

如图7所示，在相位为-360°的情况下，在增益为0dB以上的情况下振荡。在本例中，由于增益是20dB以上，所以有可能振荡。

该振荡成为相对反馈电路9的噪声源，残留共模电压检测电路8有可能变得难以精度良好地检测残留共模电压。

图8是说明基于实施方式2的电机控制系统1#的结构的图。

参照图8，电机控制系统1#与电机控制系统1相比，将电力转换装置2替换为电力转换装置2#这一点不同。电力转换装置2#与电力转换装置2相比，将共模抑制电路17替换为共模抑制电路17#这一点不同。共模抑制电路17#与共模抑制电路17相比，在还设置有阻尼器电路25这一点上不同。

阻尼器电路25设置在共模变压器11与交流电动机(电机)6之间。另外，该阻尼器电路25也可以设置在逆变器4与共模变压器11之间。此外，也可以设置在逆变器4的前侧。

图9是说明基于实施方式2的阻尼器电路的结构的图。

参照图9(A)，示出了4相共模扼流线圈的例子。4个绕线比的比率是1：1：1：1。对于第4绕组连接1个阻尼器电阻。将扼流线圈的电抗设为L

参照图9(B)，示出了3相共模扼流线圈的例子。3个绕线比的比率是1：1：1。对于绕组，设置1个阻尼器电阻，对于各个绕组并联地连接阻尼器电阻。

图10是说明基于实施方式2的共模抑制电路17#的针对共模的等价电路的图。

如图10所示，在等价电路中，表示了由阻尼器电路25带来的电抗L

图11是对插入阻尼器电路25后的共振频率的增益及相位进行说明的图。

如图11所示，在相位为-360°的情况下，在增益为0dB以上的情况下振荡。在本例中，由于增益小于0dB，所以能够抑制振荡。可以通过阻尼器电路25降低共振频率，并且使由共振带来的相位变化变得平缓。

另外，作为一例，设阻尼器电路25的电抗L

由此，能够降低由共模电压检测电路7的漏电感导致的共振的影响，实现精度高的共模抑制电路。

[实施方式3]

在实施方式3中，对精度更高的共模抑制电路进行说明。

在上述的实施方式2中，对抑制由共模电压检测电路7的漏电感导致的共振频率的方式进行了说明。

另一方面，共模电压检测电路7使用扼流线圈检测共模电压。

图12是对共模电压检测电路7的共模电压的检测进行说明的图。

如图12所示，共模电压检测电路7检测从逆变器4输出的共模电压。另一方面，逆变器4是高速通断设备(作为一例，通断时间是100ns左右)。共模电压检测电路7的扼流线圈由于难以跟随急剧的电压变化，所以如该图所示，有可能成为残留共模电压的原因。

图13是说明基于实施方式3的电机控制系统1#A的结构的图。

参照图13，基于实施方式3的电机控制系统1#A与电机控制系统1#相比，将电力转换装置2#替换为电力转换装置2#A这一点不同。电力转换装置2#A与电力转换装置2#相比，将共模抑制电路17#替换为共模抑制电路17#A这一点不同。共模抑制电路17#A与共模抑制电路17#相比，在逆变器4与共模变压器11之间设置有滤波器电路30这一点上不同。

滤波器电路30包括阻尼器电路32和电容器34、36、38。

阻尼器电路32与在实施方式2中说明的阻尼器电路25是相同的。

电容器34、36、38的一端侧与各相连接，另一端侧星形连接，与接地侧连接。

滤波器电路30使高频成分衰减。具体而言，仅使共模电压的几百kHz以上的高频成分衰减。抑制共模电压波形的急剧的变化，使斜率(dV/dt)变小。

由此，能够抑制从逆变器4输出的高频成分的共模电压，使共模电压检测电路7的检测精度提高，抑制残留共模电压。

此外，由于滤波器电路30包含阻尼器电路，所以如在实施方式2中说明的那样，能够降低由共模电压检测电路7的漏电感导致的共振。即，能够实现精度更高的共模抑制电路。

另外，在本例中，对设置有阻尼器电路32的结构进行了说明，但也可以设为还设置有在实施方式2中说明的阻尼器电路25的结构。具体而言，也可以设为在逆变器4与共模变压器11之间设置有第1阻尼器电路、在共模变压器11与交流电动机(电机)6之间设置有第2阻尼器电路的结构。由此，能够实现精度更高的共模抑制电路。

图14是说明基于实施方式3的变形例的电机控制系统1#B的结构的图。

参照图14，基于实施方式3的变形例的电机控制系统1#B与电机控制系统1#A相比，将电力转换装置2#A替换为电力转换装置2#B这一点不同。电力转换装置2#B与电力转换装置2#A相比，将共模抑制电路17#A替换为共模抑制电路17#B这一点不同。共模抑制电路17#B与共模抑制电路17#A相比，在逆变器4与共模变压器11之间设置有检测高速化电路40这一点上不同。

检测高速化电路40包括电阻42、44、46和电容器46、48、50。

电阻42、44、46的一端侧与各相连接，另一端侧与电容器46、48、50分别连接。电容器46、48、50的一端侧与电阻42、44、46串联连接，另一端侧星形连接。

检测高速化电路40与共模电压检测电路7并联地设置，与共模变压器11的一次侧线圈连接。

由此，通过与共模电压检测电路7并联地设置检测高速化电路40，能够通过检测高速化电路40检测从逆变器4输出的共模电压的急剧的变化，能够抑制残留共模电压。即，能够实现精度更高的共模抑制电路。

[实施方式4]

图15是对基于实施方式4的残留共模电压检测电路进行说明的图。

参照图15，基于实施方式4的残留共模电压检测电路8#与残留共模电压检测电路8相比，在还包括电阻8D～8F这一点上不同。

电阻8D与电容器8A串联连接。电阻8E与电容器8B串联连接。电阻8F与电容器8C串联连接。

在实施方式1中，对在运算放大器CP的输入侧设置电阻R1的结构进行了说明，是将该电阻设置在残留共模电压检测电路8#侧的结构。

通过与连接在各相的电容器串联地设置电阻，能够抑制流过电容器的电流。

能够使在线间电压变化时流过的电流大幅减少。此外，通过抑制电流，能够降低噪声，能够实现精度更高的共模抑制电路。

此次公开的实施方式在全部的方面都是例示，不应被认为是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明、而是由权利要求书表示，意味着包含与权利要求书等价的意义及范围内的全部变更。

产业上的可利用性

对将包括本发明的电压型PWM逆变器的电力转换装置应用于使交流电动机运转的电机控制系统的情况进行了记述，但作为应用设备，对于在电力用半导体元件的通断时产生共模电压的其他的电力转换装置、例如DC-DC转换器也同样能够进行应用。

标号说明

1、1#电机控制系统；2、2#电力转换装置；3、3A、3B直流电源

4逆变器；5三相线缆；6交流电动机；7共模电压检测电路；8、8#残留共模电压检测电路；17、17#、17#A、17#B共模抑制电路；10、10A、10B电容器；11共模变压器；25阻尼器电路。