专利名称：电力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力转换装置，特别是涉及一种直流线路具有钳位电容器的直接 形电力转换装置。
背景技术：
非专利文献1记载了一种带直流线路的直接形电力转换装置。在该直接形电力转 换装置中，转换器和逆变器经由直流线路连接。转换器将输入侧的交流电流转换为直流电流并输入到直流线路。在此所示的转 换器主电路不能进行其相反的转换，即将直流线路的直流电流转换为交流电而输出到输入 侧。因此，转换器不会使切断逆变器时所产生的感应性负荷的感应电流向电源侧再生。因此，在非专利文献1中，在直流线路设有钳位电容器，由钳位电容器吸收上述感 应电流。另外，在转换器的输入侧设有由电抗器和输入电容器结构的滤波器。因此，在钳位 电容器处于放电状态时，当转换器导通时，输入电容器和钳位电容器彼此短路，有可能从输 入电容器至钳位电容器流过浪涌电流。例如非专利文献2记载了可解决这样的问题的技术。据非专利文献2记载，在具 有钳位电路的带直流线路的直接形电力转换装置中，单独设有用于对钳位电容器进行充电 的二极管整流电路。另外，作为与本发明有关的技术还公示了非专利文献3、4。1 =Lixiang Wei,T. A. Lipo,Ho Chan "Matix Converter Topologies With Reduced Number of Switches, "Proc.of PESC 2002,vol. 1,pp 57-63(2002)非专利文献2J. Schonberger,T. Friedli，S. D. Round, and J. W. Kolar ”An Ultra Sparse Matrix Converter with a Novel Active Clamp Circuit，，，Proc. of PCC-NaGoya 2007(2007)非专利文献3 :K. Mino, S. Herold, and J. W. Kolar ” A Gate Drive Circuit for Silicon Carbide JFET. Proc. of IECON' 03 pp.1162-1166(2003)# # ^lJ K 4 :F. Schafmeister, S. Herold, and J. W. Kolar "Evaluation of 1200V-Si-IGBTs and 1300V_SiC JFETs for Application in Three-Phase Very Sparse Matrix AC-AC Convertre Systems. ” APEC，03(2003)
发明内容
在日本特愿2007-220907号说明书中，记载了一种防止从输入电容器至钳位电容 器的浪涌电流的直接形电力转换装置。在该直接形电力转换装置中，将彼此串联连接的两 个钳位电容器设于直流线路，将电源的中性点和钳位电容器彼此之间连接。而且，在钳位电 容器充电时，对转换器进行适当控制，将来自电源的交流电压进行倍率电压整流，供给到钳 位电容器。
但是，该技术虽然可防止从输入电容器流向钳位电容器的浪涌电流，但是，由于需 要专用的充电电路(例如，经由电阻连接电源的中性点和钳位电容器的电路)，因而使电路 规模及制造成本加大。因此，本发明的目的在于提供一种电力转换装置，其可防止从转换器的输入侧的 电容器至钳位电容器的浪涌电流，并且可省略专用的充电电路。本发明的第一方面提供一种电力转换装置，其包括多条输入线(ACLr、ACLs、 ACLt)，在彼此间施加多相交流电压；多个电容器(Cr、Cs、Ct)，介于所述多条输入线的彼此 之间；第一直流电源线(Li)；第二直流电源线(L2)，施加有比所述第一直流电源线低的电 位；转换器(1)，其具有第1 二极管(Drp.Dsp.Dtp)、第2 二极管(Drn.Dsn.Dtn)和开关部， 所述第1 二极管(Drp、Dsp、Dtp)，分别与所述多条输入线对应设置，阳极连接于所对应的所 述多条输入线中的一条的一侧，阴极连接于所述第一直流电源线侧；所述第2 二极管(Drn、 Dsn、Dtn)，阳极连接于所述第二直流电源线侧、阴极连接于所对应的所述多条输入线中的 所述一条的一侧；所述开关部(Trp、Tsp, Ttp、Trn, Tsn、Ttn)，分别与所述多条输入线对应 设置，根据来自于外部的信号(SSrp、SSrn, SSsp, SSsn, SStp, SStn)，经由位于所对应的所 述多条输入线中的所述一条与所述第一直流电源线之间的所述第1二极管，选择导通或断 开，以及经由位于所对应的所述多条输入线中的所述一条与所述第二直流电源线之间的所 述第2 二极管，选择导通或断开，在未收到所述信号的状态下，使所对应的所述多条输入线 中的所述一条与所述第一直流电源线及所数第二直流电源线导通；以及钳位电容器(Ccl、 Cc2)，连接在所述第一直流电源线和所述第二直流电源线之间。本发明的电力转换装置的第二方面在第一方面的基础上，所述开关部(Trp、Tsp, Ttp、Trn, Tsn、Ttn)具有接合型场效应晶体管。本发明的电力转换装置的第三方面在第一或第二方面的基础上，还包括第3 二 极管(Dl)，阳极位于所述第一直流电源线(Li)侧，阴极位于所述第二直流电源线(L2)侧， 并与所述钳位电容器串联连接；多条输出线(ACLu、ACLv, ACLw)；以及逆变器(3)，其具有 选择所述多条输出线中的一条与所述第一直流电源线之间的导通或断开的高臂侧开关元 件(Sup、Svp, Swp)、和选择所述多条输出线中的所述一条与所述第二直流电源线之间的导 通或断开的低臂侧开关元件(Sim、Svn, Swn)。本发明的电力转换装置的第四方面在第三方面的基础上，所述高臂侧开关元件 (Sup, Svp, Swp)和所述低臂侧开关元件(SuruSvruSwn)具有绝缘栅双极型晶体管。根据本发明第一方面的电力转换装置，开关部在不接受信号的状态下经由第1 二 极管将一条输入线和第一直流电源线连接，经由第2 二极管将一条输入线和第二直流电源 线连接。因此，在不接受信号的状态下可使转换器作为整流电路发挥作用。因此，例如向电 力转换装置起动前那样在开关部不接受信号的状态下对输入线施加多相交流电压时，可对 钳位电容器充电直流电压。该情况下，由于对电容器及钳位电容器大致同时被施加电压，因 而从电容器至钳位电容器不产生浪涌电流。另外，由于不需要专用的充电电路，因而可降低电路规模和制造成本。根据本发明第二方面的电力转换装置，由于接合型场效应晶体管在不接受信号的 状态下导通，因而作为开关部可直接使用构成容易的接合型场效应晶体管。另外，可应用在 使用SiC、GaN等宽带隙元件构成时制作容易的接合型场效应晶体管。
根据本发明第三方面的电力转换装置，在对钳位电容器进行电压充电之后，作为 第一和第二直流电源线间不具有平滑电容器等电力蓄积单元的直接形交流电力转换装置 可使自身发挥作用，另外，可通过钳位电容器蓄积从电压侧逆变器回流的电流，并保持在一 定的电压。根据本发明第四方面的电力转换装置，有助于第三方面的电力转换装置的实现。本发明的目的、特征、局面及优点通过以下的详细说明和附图将将更加清楚。
图1是表示第一实施方式的直接形交流电力转换装置的概念性结构的一例的图；图2是表示电流型转换器的概念性结构的一例的图；图3是表示电压型转换器的概念性结构的一例的图；图4是表示将J-FET和MOS-FET进行共源共栅连接(力^ 二一卜接统)的混合元 件的图；图5是表示第一实施方式的直接形电力转换装置的概念性结构的另一例的图；图6是表示第二实施方式的直接形电力转换装置的概念性结构的一例的图；图7是表示第二实施方式的直接形电力转换装置的概念性结构的另一例的图；图8是表示第三实施方式的直接形电力转换装置的概念性结构的一例的具体实施例方式第一实施方式图1表示第一实施方式的直接形电力转换装置的概念性结构的一例。本直接形电 力转换装置具备多条输入线ACLr、ACLs、ACLt ；电抗器Lr、Ls、Lt ；电容器Cr、Cs、Ct ；电流 型转换器1 ；直流电源线L1、L2 ；钳位电路2 ；电压型逆变器3 ；多条输出线ACLU、ACLv、ACLw。输入线ACLr、ACLs、ACLt都与电源El连接。电源El为多相交流电源例如为三相 交流电源。电源El在输入线ACLr、ACLs、ACLt彼此之间施加三相交流电压。电抗器Lr、Ls、Lt各自分别设于输入线ACLr、ACLs、ACLt上。电容器Cr、Cs、Ct介设于输入线ACLr、ACLs、ACLt彼此之间，例如为Y型接线。艮口， 电容器Cr、Cs串联连接于输入线ACLr、ACLs之间。电容器Cs、Ct串联连接于输入线ACLs、 ACLr之间。电容器Ct、Cr串联连接于输入线ACLt、ACLr之间。它们设于电流型转换器1 的输入侧作为电压源发挥作用。另一方面，也可使电容器Cr、Cs、Ct分别与电抗器Lr、Ls、 Lt 一同构成除去载波电流成分的载波电流成分除去过滤器。电流形转换器1具有多个开关元件kp、&m(其中，χ代表r、s、t。以下相同。)。 而且，通过该多个开关元件&cp、&m的选择动作，将施加于输入线ACLr、ACLs、ACLt之间的 三相交流电压选择性地供给到直流电源线L1、L2之间，由此在直流电源线L1、L2流过电流。 由此，以直流电源线Ll为高电位侧、直流电源线L2为低电位侧的方式，在直流电源线Li、 L2之间施加直流电压。图2是表示电流形转换器1的具体的结构的概念的一例。但是，图2中表示关于 一个相的结构。开关元件Sxp具备晶体管Txp和高速二极管Dxp。开关元件Sxn具备晶体 管Txn和高速二极管Dxn。
高速二极管Dxp的阳极连接于输入线ACLx侧，其阴极连接于直流电源线Ll侧。高 速二极管Dxn的阳极连接于直流电源线L2侧，其阴极连接于输入线ACLx侧。晶体管Τχρ、Τχη接受外部的信号并选择其导通或断开。晶体管Τχρ、Τχη在不接受 该信号的状态下导通，即所谓的正常导通型的开关。晶体管Txp设于输入线ACLx和高速二 极管Dxp的阳极之间。晶体管Txn设于输入线ACLx和高速二极管Dxn的阴极之间。在这样的电流形转换器1中，晶体管Txp、Txn基于外部的信号选择经由输入线 ACLx和直流电源线Ll之间的高速二极管Dxp的导通或断开、和经由输入线ACLx和直流电 源线L2之间的高速二极管Dxn的导通或断开，且能够掌握在未接受该信号的状态下使输入 线ACLx与直流电源线Li、L2导通的开关部。钳位电路2具备二极管Dl和钳位电容器Cc 1。钳位电容器Ccl在直流电源线Li、 L2之间连接。二极管Dl的阳极位于直流电源线Ll侧，其阴极位于直流电源线L2侧，与钳 位电容器Ccl串联连接。钳位电路2使从与输出线ACLu、ACLv、ACLw连接的感应性负荷(例如电动机)经 由电压形逆变器3流过流经直流电源线Ll的电流在其自身流动，蓄积感应性负荷的感应电 流，并保持为一定的电压。电压形逆变器3具有多个高臂侧开关元件Syp (其中，y代表u、v、w。以下相同)、 和低臂侧开关元件Syn。下面简称为开关元件Syp、Syn。开关元件Syp选择直流电源线Ll 和输出线ACLy之间的导通或断开。开关元件Syn选择直流电源线L2和输出线ACLy之间 的导通或断开。而且，通过这些多个开关元件Syp、Syn的选择动作，转换直流电源线L1、L2 间的电压，向输出线ACLu、ACLv、ACLw输出。图3表示电压形逆变器3的具体的结构的概念的一例。但是，图3中表示关于一 个相的结构。开关元件Syp具备晶体管Typ和回流二极管Dyp。开关元件Syn具备晶体管 Tyn和回流二极管Dyn。晶体管Typ的集电极和回流二极管Dyp的阴极与直流电源线Ll连接。晶体管Tyn 的发射极和回流二极管Dyn的阳极与直流电源线L2连接。晶体管Typ的发射极和晶体管 Tyn的集电极以及回流二极管Dyp的阳极和回流二极管Dyn的阴极与输出线ACLy共通连接。晶体管Typ、Tyn为正常导通型的开关，例如为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,以下禾尔为 IGBT)。在这样的直接形电力转换装置中，二极管Dl阻碍对钳位电容器Ccl充电的电压的 放电。因此，本直接形电力转换装置在向感应性负荷供给电流时，可以作为在直流电源线 L1、L2不具有平滑电容器或电抗器的电力蓄积单元的直接形电力转换装置发挥作用。另外， 钳位电路2蓄积例如将开关元件Syp、Syn断开时产生的来自电压形逆变器3的电流，并保 持在一定的电压。以下，对本直流形电力转换装置的钳位电容器Ccl的充电的作用进行说明。晶体管Txp、Txn为正常导通型的开关，因此，在从外部不接受信号的状态下，电流 形转换器1作为整流电路发挥作用。因此，例如直接形电力转换装置的启动前，在晶体管 Txp^Txn不接受信号的状态下对输入线ACLr、ACLs、ACLt施加3相交流电压时，对钳位电容 器Ccl充电直流电压。
此时，电容器Cr、Cs、Ct和钳位电容器Ccl经由电流形转换器1彼此连接。当对输 入线ACLr、ACLs、ACLt施加3相交流电压时，大致同时对钳位电容器Ccl和电容器Cr、Cs、 Ct施加电压。因此，可以在对电容器Cr、Cs、Ct的任一个都没有充电电压的状态下，开始钳 位电容器Ccl的充电。因此，可防止在开始钳位电容器Ccl的充电时，从电容器Cr、Cs、Ct 向钳位电容器Ccl流入浪涌电流。另外，由于避免了从电容器Cr、Cs、Ct向钳位电容器Ccl的浪涌电流，并且也不需 要用于对钳位电容器Ccl充电的专用的充电电路，因此，可降低电路规模和制造成本。另外，图2中，作为晶体管Txp、Txn，采用接合型场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor，以下称作J-FET。)。J-FET为正常导通型的开关元件，其结构与IGBT 相比简易。另外，作为现有的晶体管TXp、TXn采用正常导通型的开关元件。因此，由于现有采 用正常导通型的 J-FET，所以将其与 MOS-FET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)进行共源共栅连接。图4表示该混和元件。将J-FET51和M0S-FET52进行共 源共栅连接。这样的混和元件记载于上述的非专利文献3。另一方面，在本直接形电力转换装置中，晶体管Txp、Txn为正常导通型的开关，因 此，作为晶体管Txp、Txn可直接采用简易结构的J-FET。由此，可能带来制造成本的降低。 另外，作为晶体管Txp、Txn可使用在采用SiC、GAN等宽带隙元件时制作容易的接合型场効 应晶体管。由此，可以提高直接形电力转换装置的高载波化带来的控制性能和转换效率。图5表示直接型电力转换装置的概念的结构的另一例。与图1所示的直接形电力 转换装置相比，钳位电路2的结构不同。钳位电路2具备钳位电容器Ccl、Cc2和二极管Dl D3。钳位电容器Ccl、Cc2在 直流电源线L1、L2之间彼此串联连接。钳位电容器Cc2相对于钳位电容器Ccl设于直流电 源线L2侧。二极管Dl设于钳位电容器Ccl、Cc2之间，其阳极连接于钳位电容器Ccl，其阴极 连接于钳位电容器Cc2。二极管D2的阳极连接于钳位电容器Cc2和二极管Dl之间，其阴极 连接于直流电源线Li。二极管D3的阳极连接于直流电源线L2，其阴极连接于钳位电容器 Ccl和二极管Dl之间。这样的钳位电路2如下发挥作用。在电压形逆变器3侧连接了例如感应性负荷的 情况下，其中流过的负荷电流依赖于其负荷功率因数而有时相对于直流电源线Li、L2之间 的电压延迟。该情况下，存在从感应性负荷向直流电源线Ll流过回流电流的期间，钳位电 容器Ccl、Cc2相互以串联状态充电。此时的充电电压(钳位电容器Ccl、Cc2的一组的两端 电压)也基于负荷功率因数而决定。另一方面，钳位电容器Ccl、Cc2各自的两端电压比直 流电源线L1、L2之间的电压上升时，钳位电容器Ccl、Cc2彼此以并联状态放电。另外，钳位 电容器Ccl、Cc2彼此以串联状态充电，且彼此以并联状态放电，因此，放电电压为充电电压 的 1/2。通过这种充放电动作，以使钳位电容器Ccl、Cc2的电压平衡的方式发生作用。如上，由于可进行来自感应性负荷的回流电流的充电，另外可以进行放电并再次 向感应性负荷供给，因此，可以高效地驱动感应性负荷。另外，由于钳位电路2不需要开关 元件等所谓的有源元件，所以可降低消耗电力及制造成本。
第二实施方式图6表示第二实施方式的直接形电力转换装置的概念的结构的一例。与图1所示 的直接形电力转换装置相比，还具备控制部4。控制部4与钳位电容器Ccl的两端连接，将钳位电容器Ccl的两端电压作为动作 电源使用。控制部4向电流形转换器1(更具体而言是晶体管Txp、Txn)赋予信号S&cp、 SSxn,向电压形逆变器3 (更具体而言为晶体管Typ、Tyn)赋予信号Ssyp、Ssyn0晶体管Txp、Txn, Typ、Tyn分别基于信号SSxp、SSxn, SSyp, SSyn控制其导通或断 开。根据这样的直接形电力转换装置，可以省略向控制部4赋予动作电源的整流电 路，因此可以降低电路规模及制造成本。图7表示直接形电力转换装置的概念的结构的另一例。但是，图7中将钳位电路 2的后段省略表示。与图5所示的直接形电力转换装置相比，在钳位电容器Ccl、Cc2的两 端分别连接电阻R1、R2。该电阻R1、R2将控制部4作为电阻模拟表示。例如，电阻Rl可以 为控制部4中的转换器1侧的控制部，电阻R2可以为逆变器3侧的控制部，优选由电阻Rl、 R2分别表示的控制部以成为大致相等的负荷的方式进行选择。控制部4将钳位电容器Ccl、Cc2的两端电压用作动作电源。因此，可以省略向控 制部4赋予动作电源的整流电路，因此，可以降低电路规模及制造成本。第三实施方式图8表示第三实施方式的直接形电力转换装置的概念的的结构的一例。但是，图 8中将钳位电路2的后段省略表示。与图1所示的直接形电力转换装置相比，还具备电阻 R3、R4、开关 S1、S2。电阻R3、R4设于输入线ACLr、ACLs、ACLt中至少任意两个上。例如电阻R3、R4设 于输入线ACLr、ACLt上。由此，在对钳位电容器Ccl充电时，从电源El流向钳位电容器Ccl的电流经由电 阻R3、R4，因此，可降低从电源El流向钳位电容器Ccl的浪涌电流。因此，例如即使采用电 容大的电解电容器作为钳位电容器Ccl，浪涌电流也不成为问题。开关Si、S2例如为正常导通型的继电器，分别与电阻R3、R4并联连接。在对钳位 电容器Ccl充电后，使开关Si、S2导通，由此，可以避免通常运转中由电阻R3、R4产生的损失。另外，也可以将图8的钳位电路2置换为图5损失的钳位电路2。对该发明进行了详细说明，但上述的说明均在局面进行例示，本发明不限于此。不 脱离本发明的范围能够想到未例示的无数变形例。
权利要求
1.一种电力转换装置，其特征在于，包括多条输入线(ACLr、ACLs、ACLt)，在彼此间施加多相交流电压；多个电容器(Cr、Cs、Ct)，介于所述多条输入线的彼此之间；第一直流电源线(Li)；第二直流电源线(L2)，施加有比所述第一直流电源线低的电位；转换器(1)，其具有第1 二极管(Drp.Dsp.Dtp)、第2 二极管(Drn.Dsn.Dtn)和开关部， 所述第1 二极管(Drp、Dsp、Dtp)，分别与所述多条输入线对应设置，阳极连接于所对应的所 述多条输入线中的一条的一侧，阴极连接于所述第一直流电源线侧；所述第2 二极管(Drn、 Dsn、Dtn)，阳极连接于所述第二直流电源线侧、阴极连接于所对应的所述多条输入线中的 所述一条的一侧；所述开关部(Trp、Tsp, Ttp、Trn, Tsn、Ttn)，分别与所述多条输入线对应 设置，根据来自于外部的信号(SSrp、SSrn, SSsp, SSsn, SStp, SStn)，经由位于所对应的所 述多条输入线中的所述一条与所述第一直流电源线之间的所述第1 二极管，选择导通或断 开，以及经由位于所对应的所述多条输入线中的所述一条与所述第二直流电源线之间的所 述第2 二极管，选择导通或断开，在未收到所述信号的状态下，使所对应的所述多条输入线 中的所述一条与所述第一直流电源线及所数第二直流电源线导通；以及钳位电容器(Ccl、Cd)，连接在所述第一直流电源线和所述第二直流电源线之间。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于所述开关部(Trp、Tsp、Ttp、Trn、Tsn、Ttn)具有接合型场效应晶体管。
3.如权利要求1或者2所述的电力转换装置，其特征在于，还包括第3 二极管(Dl)，阳极位于所述第一直流电源线(Li)侧，阴极位于所述第二直流电源 线(L2)侧，并与所述钳位电容器串联连接；多条输出线(ACLu、ACLv、ACLw)；以及逆变器(3)，其具有选择所述多条输出线中的一条与所述第一直流电源线之间的导 通或断开的高臂侧开关元件(Sup、Svp, Swp)、和选择所述多条输出线中的所述一条与所述 第二直流电源线之间的导通或断开的低臂侧开关元件(Sim、Svn, Swn)。
4.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于所述高臂侧开关元件(Sup、Svp, Swp)和所述低臂侧开关元件(Sim、Svn, Swn)具有绝 缘栅双极型晶体管。
全文摘要
本发明提供一种可防止从转换器的输入侧的电容器流向钳位电容器的浪涌电流，且无专用的充电电路而能对钳位电容器进行充电的电力转换装置。多个电容器(Cr、Cs、Ct)介于多条输入线(ACLr、ACLs、ACLt)之间。钳位电容器(Cc1)连接在两条直流电源线(L1、L2)之间。电流型转换器(1)具备多个开关元件(Sxp、Sxn)(其中，x代表r、s、t)。开关元件(Sxp、Sxn)分别具备二极管和晶体管。而且，所有的二极管都将阳极连接于直流电源线(L2)侧，将阴极连接于直流电源线(L1)侧。所有的晶体管都与二极管串联连接。所有的晶体管也都是正常导通型晶体管。
文档编号H02M7/217GK102077451SQ20098012418
公开日2011年5月25日 申请日期2009年6月1日 优先权日2008年6月27日
发明者榊原宪一 申请人:大金工业株式会社