JP2015128346A - Electric power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に電力変換装置に関し、より詳細には直流電源の出力を交流に変換する電力変換装置に関する。 The present invention generally relates to a power converter, and more particularly to a power converter that converts an output of a DC power source into an AC.
近年、住宅用の太陽光発電装置や燃料電池、蓄電装置などの普及に伴い、これらの直流電源の出力を交流に変換する電力変換装置として、多様な電力変換装置が提供されている。たとえば特許文献1には、太陽光発電装置(solar generator)に電気的に接続され、2個のスイッチ素子(switch unit)の直列回路を2つ並列に接続したブリッジ回路を備えた電力変換装置(DC/AC converter)が開示されている。
In recent years, with the spread of residential solar power generation devices, fuel cells, power storage devices, and the like, various power conversion devices have been provided as power conversion devices that convert the output of these DC power sources into AC. For example,
ところで、この種の電力変換装置では、ブリッジ回路の入力電圧(直流)は最終出力電圧(交流)の瞬時値(絶対値)を下回らないことが必須要件となる。つまり、電力変換装置は、ブリッジ回路の入力電圧を最終出力電圧の最大値(絶対値)より大きな値に維持する必要があるため、ブリッジ回路の入力段にエネルギーを貯めるためのデバイスが必要になる。特許文献1に記載の電力変換装置は、ブリッジ回路の入力段にエネルギーストレージ(intermediate energy storage)を備えている。
By the way, in this kind of power converter, it is an essential requirement that the input voltage (DC) of the bridge circuit does not fall below the instantaneous value (absolute value) of the final output voltage (AC). In other words, the power converter needs to maintain the input voltage of the bridge circuit at a value larger than the maximum value (absolute value) of the final output voltage, and thus a device for storing energy in the input stage of the bridge circuit is required. . The power conversion device described in
しかし、太陽光発電装置に接続されるパワーコンディショナのように定格容量の比較的大きな電力変換装置では、エネルギーストレージに貯蔵すべきエネルギーも比較的大きくなるため、一般的に、大容量の電解コンデンサがエネルギーストレージに用いられる。この種の電解コンデンサは比較的大型であるから、他の部品に比べて電力変換装置全体の体積に占める割合が高く、エネルギーストレージが電力変換装置全体としての小型化を妨げる要因となっている。 However, in a power converter having a relatively large rated capacity, such as a power conditioner connected to a photovoltaic power generator, the energy to be stored in the energy storage is also relatively large. Is used for energy storage. Since this type of electrolytic capacitor is relatively large, the proportion of the entire power converter is larger than that of other components, and energy storage is a factor that hinders downsizing of the power converter as a whole.
本発明は上記事由に鑑みて為されており、エネルギーストレージを小型化あるいは省略可能とすることで、全体としての小型化を図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。 This invention is made | formed in view of the said reason, and it aims at providing the power converter device which can attain size reduction as a whole by making energy storage small or omissible.
本発明の電力変換装置は、直流電源から印加される直流の入力電圧の大きさを変化させて直流の第1出力電圧として出力する第1変換回路と、前記第1出力電圧を交流の第2出力電圧に変換して出力する第2変換回路とを備え、前記第1変換回路は、前記第2出力電圧に同期して前記第1出力電圧の大きさを周期的に変化させることにより、前記第1出力電圧の波形を前記第2出力電圧の全波整流波形に合わせて整形するように構成されていることを特徴とする。 The power conversion device of the present invention includes a first conversion circuit that changes the magnitude of a DC input voltage applied from a DC power source and outputs the first output voltage as a DC first output voltage, and the first output voltage is an AC second voltage. A second conversion circuit that converts the output voltage into an output voltage, and the first conversion circuit periodically changes the magnitude of the first output voltage in synchronization with the second output voltage. The first output voltage waveform is shaped to match the full-wave rectified waveform of the second output voltage.
この電力変換装置において、前記第2変換回路は、前記第1出力電圧のスイッチングを行うスイッチング部と、誘導性負荷を含み前記スイッチング部の出力を受けて前記第2出力電圧を出力する出力部とを有し、前記スイッチング部は、前記第1出力電圧が同値の場合に前記出力部に印加される電圧値を3段階以上の値の中で切り替えるように構成されていることが望ましい。 In this power conversion device, the second conversion circuit includes a switching unit that performs switching of the first output voltage, and an output unit that includes an inductive load and receives the output of the switching unit and outputs the second output voltage. Preferably, the switching unit is configured to switch a voltage value applied to the output unit among three or more values when the first output voltage has the same value.
この電力変換装置において、前記第1変換回路は、前記入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、前記入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路とを有し、前記第1出力電圧が前記入力電圧より低くなる期間には前記降圧チョッパ回路で降圧を行い、前記第1出力電圧が前記入力電圧より高くなる期間には前記昇圧チョッパ回路で昇圧を行うことにより、前記第1出力電圧の波形を整形するように構成されていることがより望ましい。 In the power conversion device, the first conversion circuit includes a step-down chopper circuit that steps down the input voltage and a step-up chopper circuit that steps up the input voltage, and the first output voltage becomes lower than the input voltage. The step-down chopper circuit performs step-down during the period, and the step-up chopper circuit performs step-up during the period when the first output voltage is higher than the input voltage, thereby shaping the waveform of the first output voltage. More preferably it is configured.
本発明は、第1変換回路が、第2出力電圧に同期して第1出力電圧の大きさを周期的に変化させることにより、第1出力電圧の波形を第2出力電圧の全波整流波形に合わせて整形する。したがって、本発明に係る電力変換装置は、エネルギーストレージを小型化あるいは省略可能とすることで、全体としての小型化を図ることができるという利点がある。 In the present invention, the first conversion circuit periodically changes the magnitude of the first output voltage in synchronization with the second output voltage, thereby changing the waveform of the first output voltage to the full-wave rectification waveform of the second output voltage. Shape to fit. Therefore, the power conversion device according to the present invention has an advantage that the overall size can be reduced by reducing the size or omitting the energy storage.
(実施形態1)
本実施形態に係る電力変換装置10は、図1に示すように、第1変換回路1と、第2変換回路2とを備えている。第1変換回路1は、直流電源3から印加される直流の入力電圧の大きさを変化させて直流の第1出力電圧V1として出力する。第2変換回路2は、第1出力電圧V1を交流の第2出力電圧V2に変換して出力する。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the
第1変換回路1は、第2出力電圧V2に同期して第1出力電圧V1の大きさを周期的に変化させることにより、第1出力電圧V1の波形を第2出力電圧V2の全波整流波形に合わせて整形するように構成されている。
The
すなわち、電力変換装置10は、第1変換回路1と第2変換回路2との二段構成である。第1変換回路1は、直流電圧を異なる大きさの直流電圧に変換するDC‐DCコンバータであって、直流電源3からの入力電圧を異なる大きさの直流電圧に変換して第1出力電圧V1として第2変換回路2へ出力する。第2変換回路2は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ(DC‐ACコンバータ)であって、第1変換回路1からの第1出力電圧V1を交流電圧に変換して第2出力電圧V2として出力する。そのため、電力変換装置10は、直流電源3からの入力電圧を、所望の大きさ(振幅)の交流電圧(第2出力電圧V2)として出力することができる。
That is, the
ここにおいて、第1変換回路1は、単に入力電圧の大きさを変えるのではなく、第2出力電圧V2を全波整流した波形(脈流波形)に合わせて第1出力電圧V1の波形を整形し、第2変換回路2へ出力するように構成されている。これにより、電力変換装置10は、第1変換回路1の出力段(第2変換回路2の入力段)でエネルギー(電気エネルギー)を貯めなくても、第2変換回路2の入力電圧(第1出力電圧V1)が第2出力電圧V2の瞬時値(絶対値)を下回ることを回避できる。したがって、電力変換装置10は、第1変換回路1の出力段(第2変換回路2の入力段)に設けられるエネルギーストレージを小型化あるいは省略可能であり、電力変換装置10全体としての小型化を図ることができる。
Here, the
以下、本実施形態に係る電力変換装置10について詳しく説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は、下記実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
Hereinafter, the
本実施形態では、電力変換装置10が、直流電源3としての太陽光発電装置に電気的に接続して使用される住宅用のパワーコンディショナである場合を例示するが、電力変換装置10の用途を限定する趣旨ではない。電力変換装置10は、たとえば家庭用燃料電池、蓄電装置など、太陽光発電装置以外の直流電源3に電気的に接続して使用されてもよく、また、たとえば店舗、工場、事務所など非住宅に用いられてもよい。
In the present embodiment, the case where the
本実施形態の電力変換装置10は、図1に示すように、一対の入力端子41,42と、一対の出力端子51,52とを備えている。一対の入力端子41,42は、太陽光発電装置からなる直流電源3に接続箱(図示せず)を介して電気的に接続される。一対の出力端子51,52は、負荷6に電気的に接続される。具体的には、一対の出力端子51,52は、分電盤(図示せず)に設けられた連系ブレーカ(図示せず)に電気的に接続されており、商用電力系統(図示せず)に電気的に接続される。
As shown in FIG. 1, the
電力変換装置10は、定常時、系統連系運転を行い、直流電源3から一対の入力端子41,42に入力される直流電力を交流電力に変換して一対の出力端子51,52から出力することにより、負荷6に電力供給する。なお、詳しい説明は省略するが、電力変換装置10は、商用電力系統の停電等の異常時には、商用電力系統から解列した状態で負荷6に電力供給する自立運転を行うように構成されている。
The
第1変換回路1は、一対の入力端子41,42に電気的に接続されている。ここでは、第1変換回路1は、入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路11と、入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路12とを有している。
The
降圧チョッパ回路11は、図1に示すように入力コンデンサ111と、スイッチ素子112と、ダイオード113と、インダクタ114と、中間コンデンサ115とを有している。
The step-down
入力コンデンサ111は、一対の入力端子41,42間に電気的に接続されている。降圧用の(第7の)スイッチ素子112と降圧用の(第7の)ダイオード113とは、直列に接続され、スイッチ素子112が高電位(正極)側となるように、入力コンデンサ111の両端間に電気的に接続されている。ダイオード113は、アノードが入力コンデンサ111の低電位(負極)側に接続され、カソードがスイッチ素子112に接続されている。インダクタ114と中間コンデンサ115とは、ダイオード113の両端間において直列に接続されている。なお、インダクタ114−中間コンデンサ115間には、後述するダイオード122が挿入されている。
The
昇圧チョッパ回路12は、スイッチ素子121と、ダイオード122とを有している。
The step-up
昇圧用の(第8の)スイッチ素子121は、ダイオード113の両端間において、インダクタ114と直列に接続されている。昇圧用の(第8の)ダイオード122は、アノードがスイッチ素子121に接続され、カソードが中間コンデンサ115に接続されている。ここで、降圧チョッパ回路11におけるインダクタ114および中間コンデンサ115は、昇圧チョッパ回路12にも兼用されている。
The step-up (eighth)
このように、本実施形態の第1変換回路1は、降圧チョッパ回路11と昇圧チョッパ回路12とを組み合わせた昇降圧型のチョッパ回路である。スイッチ素子112およびスイッチ素子121は、後述する制御部7によってそれぞれ制御される。降圧チョッパ回路11はスイッチ素子112のスイッチング動作によって降圧を行い、昇圧チョッパ回路12はスイッチ素子121のスイッチング動作によって昇圧を行う。なお、図1では、スイッチ素子112およびスイッチ素子121と、制御部7との間の配線の図示を省略している。
As described above, the
スイッチ素子112およびスイッチ素子121としては、ここではそれぞれMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられている。ただし、スイッチ素子112およびスイッチ素子121は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やその他のパワー半導体デバイスが用いられていてもよい。また、スイッチ素子112およびスイッチ素子121は、たとえばGaN(窒化ガリウム)などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いて構成されていてもよい。ワイドバンドギャップとは、たとえばシリコン(Si)のバンドギャップ(1.1eV)の2倍以上のバンドギャップ(2.2eV以上)をいう。これにより、スイッチ素子112およびスイッチ素子121は、オン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能であって高耐圧のパワーデバイスを実現することが可能になる。ここでいうワイドバンドギャップ半導体とは、たとえば周期律表第2周期の軽元素を構成要素とする半導体と定義されており、窒化物系半導体のほか、SiC(炭化ケイ素)なども含んでいる。さらにダイオード122についても、スイッチ素子112やスイッチ素子121と同様のパワー半導体デバイスが用いられていてもよい。
Here, MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) are used as the
また、第1変換回路1は、一部の部品(インダクタ114および中間コンデンサ115)を降圧チョッパ回路11と昇圧チョッパ回路12とで共用しているが、別々に有していてもよい。
In the
このような構成の第1変換回路1は、第1出力電圧V1が入力電圧より低くなる期間には降圧チョッパ回路11で降圧を行い、第1出力電圧V1が入力電圧より高くなる期間には昇圧チョッパ回路12で昇圧を行うことにより、第1出力電圧V1の波形を整形する。つまり、第1変換回路1は、一対の入力端子41,42に印加される入力電圧の電圧値を基準値とし、該基準値よりも第2出力電圧V2の絶対値が小さいときには入力電圧を降圧し、該基準値よりも第2出力電圧V2の絶対値が大きいときには入力電圧を昇圧する。このように、第1変換回路1は、第2出力電圧V2に同期して第1出力電圧V1の大きさを周期的に変化させることにより、第1出力電圧V1の波形を第2出力電圧V2の全波整流波形に合わせて整形する。
The
その結果、第1変換回路1は、中間コンデンサ115の両端間に第1変換回路1の出力である第1出力電圧V1を発生する。第1出力電圧V1は、第2変換回路2の出力である第2出力電圧V2を全波整流した波形に近似の脈流波形である。ここでは、第1変換回路1の出力に中間コンデンサ115が設けられていることにより、第1出力電圧V1は、脈流の谷部分においても0〔V〕までは落ちず、0〔V〕よりも若干高い下限値以上に維持される。なお、第1変換回路1は、第1出力電圧V1の波形を第2出力電圧V2の全波整流波形に合わせて整形する構成であればよく、上述したような降圧チョッパ回路11と昇圧チョッパ回路12との組み合わせに限らない。
As a result, the
第2変換回路2は、図1に示すように、第1出力電圧V1のスイッチングを行うスイッチング部81と、誘導性負荷を含みスイッチング部81の出力を受けて第2出力電圧V2を出力する出力部82とを有している。本実施形態では、スイッチング部81はブリッジ回路21とクランプ回路22とを備え、出力部82は一対のリアクトル231,232と出力コンデンサ24とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
ブリッジ回路21は、第1のスイッチ素子Q1と、第2のスイッチ素子Q2と、第3のスイッチ素子Q3と、第4のスイッチ素子Q4とを備えるフルブリッジ回路であって、第1変換回路1の中間コンデンサ115の両端間に電気的に接続されている。第1のスイッチ素子Q1には第1のダイオードD1が、第2のスイッチ素子Q2には第2のダイオードD2が、第3のスイッチ素子Q3には第3のダイオードD3が、第4のスイッチ素子Q4には第4のダイオードD4がそれぞれ逆並列に接続されている。
The
すなわち、中間コンデンサ115の両端間は、第1のスイッチ素子Q1−第2のスイッチ素子Q2の直列回路と、第3のスイッチ素子Q3−第4のスイッチ素子Q4の直列回路とが並列に接続されている。ブリッジ回路21は、第1のスイッチ素子Q1−第2のスイッチ素子Q2の(第1の)接続点211と、第3のスイッチ素子Q3−第4のスイッチ素子Q4の(第2の)接続点212とが出力端となる。
That is, between the both ends of the
クランプ回路22は、第5のスイッチ素子Q5と、第6のスイッチ素子Q6とを備えている。第5のスイッチ素子Q5と第6のスイッチ素子Q6とは、ブリッジ回路21の出力端(第1の接続点211−第2の接続点212)間に、逆直列に接続されている。第5のスイッチ素子Q5には第5のダイオードD5が、第6のスイッチ素子Q6には第6のダイオードD6がそれぞれ逆並列に接続されている。つまり、第5のダイオードD5と第6のダイオードD6とは、第1の接続点211−第2の接続点212間において、導通方向が逆向きとなるように直列に接続されている。
The
スイッチング部81は、このようにブリッジ回路21とクランプ回路22とを組み合わせることにより、第1出力電圧V1が同値の場合に出力部82に印加される電圧値を3段階以上の値の中で切り替えるように構成されている。要するに、スイッチング部81は入力された電圧を3段階以上の電圧値に切り替えながら出力する所謂マルチレベルインバータである。本実施形態では、スイッチング部81は、ブリッジ回路21の出力端(第1の接続点211−第2の接続点212)間に発生する正、負の2段階の電圧値に加え、クランプ回路22が導通することによって略0〔V〕の電圧値を出力する。
The switching
さらに詳しく説明すると、第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6としては、本実施形態ではそれぞれIGBTが用いられている。第1〜第4のスイッチ素子Q1〜Q4は、いずれも中間コンデンサ115の高電位(正極)側をコレクタとし、中間コンデンサ115の高電位(正極)側をエミッタとする向きで、中間コンデンサ115に電気的に接続されている。第5のスイッチ素子Q5および第6のスイッチ素子Q6は、コレクタ同士が電気的に接続されている。第5のスイッチ素子Q5のエミッタは第1の接続点211に電気的に接続され、第6のスイッチ素子Q6のエミッタは第2の接続点212に電気的に接続されている。
More specifically, as the first to sixth switch elements Q1 to Q6, IGBTs are used in the present embodiment, respectively. Each of the first to fourth switching elements Q1 to Q4 has a direction in which the high potential (positive electrode) side of the
ただし、第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6は、たとえばMOSFETやその他のパワー半導体デバイスが用いられていてもよい。また、第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6は、たとえばGaN(窒化ガリウム)などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いて構成されていてもよい。これにより、第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6は、オン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能であって高耐圧のパワーデバイスを実現することが可能になる。 However, for example, MOSFETs or other power semiconductor devices may be used for the first to sixth switch elements Q1 to Q6. The first to sixth switch elements Q1 to Q6 may be configured using a wide band gap semiconductor material such as GaN (gallium nitride). As a result, the first to sixth switch elements Q1 to Q6 have a relatively low on-resistance and can cope with a large current, thereby realizing a high breakdown voltage power device.
電力変換装置10は制御部7を備えている。第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6は、制御部7によってそれぞれ制御される。ここでは、制御部7は、マイコン(マイクロコンピュータ)を主構成としており、メモリ(図示せず)に記憶されているプログラムを実行することにより、予め決められた制御条件に従って第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6を制御する。プログラムは、電気通信媒体を通して提供されてもよく、記憶媒体に記憶されて提供されてもよい。なお、制御部7は、降圧チョッパ回路11のスイッチ素子112、並びに昇圧チョッパ回路12はスイッチ素子121の制御も行うように構成されている。
The
詳しくは後述するが、制御部7は、第1のスイッチ素子Q1および第4のスイッチ素子Q4を組にして、PWM(Pulse Width Modulation)信号により、これら第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のオン、オフを同時に切り替える。さらに、制御部7は、第2のスイッチ素子Q2および第3のスイッチ素子Q3を組にして、PWM信号により、これら第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のオン、オフを同時に切り替える。また、制御部7は、制御信号により、第5のスイッチ素子Q5と第6のスイッチ素子Q6との各々のオン、オフを切り替える。 As will be described in detail later, the control unit 7 sets the first switch element Q1 and the fourth switch element Q4 as a set, and uses the PWM (Pulse Width Modulation) signal to generate the first and fourth switch elements Q1, Q4. Switch on and off at the same time. Further, the control unit 7 sets the second switch element Q2 and the third switch element Q3 as a set, and simultaneously switches on and off these second and third switch elements Q2 and Q3 by the PWM signal. In addition, the control unit 7 switches on and off each of the fifth switch element Q5 and the sixth switch element Q6 according to the control signal.
上記構成により、スイッチング部(ブリッジ回路21およびクランプ回路22)81は、第5のスイッチ素子Q5−第6のスイッチ素子Q6の直列回路の両端間にスイッチング部81の出力である第3出力電圧V3を発生する。ただし、スイッチング部81は、上述したようなブリッジ回路21とクランプ回路22との組み合わせに限らず、マルチレベルインバータとしての種々の構成を採用可能である。
With the above configuration, the switching unit (the
出力部82は、第5のスイッチ素子Q5−第6のスイッチ素子Q6の直列回路の両端間に、一対のリアクトル(誘導性負荷)231,232と出力コンデンサ(容量性負荷)24とが直列に接続されて構成されている。具体的には、第5のスイッチ素子Q5−第6のスイッチ素子Q6の直列回路のうち第5のスイッチ素子Q5側の端部には、第1のリアクトル231を介して出力コンデンサ24が電気的に接続されている。第5のスイッチ素子Q5−第6のスイッチ素子Q6の直列回路のうち、第6のスイッチ素子Q6側の端部には、第2のリアクトル232を介して出力コンデンサ24が電気的に接続されている。出力コンデンサ24は、一対の出力端子51,52に対して電気的に接続されている。
The
上記構成により、出力部(リアクトル231,232および出力コンデンサ24)82は、一対の出力端子51,52間に出力部82の出力である第2出力電圧V2を発生する。よって、電力変換装置10は、一対の出力端子51,52に電気的に接続された負荷6に対して、第2出力電圧V2を印加することになる。
With the above configuration, the output unit (
次に、本実施形態に係る電力変換装置10の動作について、図2を参照して説明する。図2では、横軸を時間軸として、第1出力電圧V1、第2出力電圧V2、第3出力電圧V3、さらに第1〜第6のスイッチ素子Q1〜Q6のオン、オフの別、リアクトル231を流れる出力電流I1を表している。ここでは、第1のスイッチ素子Q1および第4のスイッチ素子Q4のオン、オフの別は「Q1,Q4」で示し、第2のスイッチ素子Q2および第3のスイッチ素子Q3のオン、オフの別は「Q2,Q3」で示している。第5のスイッチ素子Q5のオン、オフの別は「Q5」で示し、第6のスイッチ素子Q6のオン、オフの別は「Q6」で示している。なお、第1出力電圧V1は、第2出力電圧V2の全波整流波形(一点鎖線で示す)に近い波形に整形されているものの、実際には実線で示すような揺らぎをもった波形となる。
Next, operation | movement of the
まず、第2出力電圧V2が正(V2>0)の期間においては、制御部7は、第5のスイッチ素子Q5をオンにし、第6のスイッチ素子Q6をオフにする。さらに、第2出力電圧V2が正の期間、制御部7は、PWM信号により、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のオン、オフを切り替える動作を繰り返し、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3についてはオフに維持する。つまり、第2出力電圧V2が正の期間においては、第5のスイッチ素子Q5はオンに維持され、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4はオンとオフとを交互に繰り返すことになる。ここで、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比は一定値(固定)である。 First, in a period in which the second output voltage V2 is positive (V2> 0), the control unit 7 turns on the fifth switch element Q5 and turns off the sixth switch element Q6. Further, during the period when the second output voltage V2 is positive, the control unit 7 repeats the operation of switching on and off the first and fourth switch elements Q1 and Q4 by the PWM signal, and the second and third switch elements Q2 and Q3 are kept off. That is, during the period when the second output voltage V2 is positive, the fifth switch element Q5 is kept on, and the first and fourth switch elements Q1 and Q4 are alternately turned on and off. Here, the duty ratios of the first and fourth switch elements Q1, Q4 are constant values (fixed).
したがって、第2出力電圧V2が正の期間において第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4がオンの状態では、第2変換回路2に正の第1出力電圧V1が印加されると、第1のスイッチ素子Q1→出力部82→第4のスイッチ素子Q4の経路で電流が流れる。このとき、クランプ回路22は、第6のスイッチ素子Q6がオフであるから、第6のダイオードD6には逆方向バイアスが印加されて非導通状態にある。そのため、出力部82に印加される第3出力電圧V3は、第1出力電圧V1に対応する大きさの正の電圧となり、出力部82を流れる正(図1では右向き)の出力電流I1は時間経過に伴い増加する。
Therefore, when the first output voltage V1 is applied to the
第2出力電圧V2が正の期間において第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4がオフの状態では、クランプ回路22は、第6のダイオードD6→第5のスイッチ素子Q5の経路でリアクトル231,232の還流電流が流れる。このとき、クランプ回路22は、第6のダイオードD6に順方向バイアスが印加されて導通状態にある。そのため、出力部82に印加される第3出力電圧V3は略0〔V〕となり、出力部82を流れる正の出力電流I1は時間経過に伴い減少する。
When the first and fourth switch elements Q1 and Q4 are off during the period when the second output voltage V2 is positive, the
一方、第2出力電圧V2が負(V2<0)の期間においては、制御部7は、第6のスイッチ素子Q6をオンにし、第5のスイッチ素子Q5をオフにする。さらに、第2出力電圧V2が負の期間、制御部7は、PWM信号により、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のオン、オフを切り替える動作を繰り返し、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4についてはオフに維持する。つまり、第2出力電圧V2が負の期間においては、第6のスイッチ素子Q6はオンに維持され、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3はオンとオフとを交互に繰り返すことになる。ここで、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比は一定値(固定)である。 On the other hand, during a period in which the second output voltage V2 is negative (V2 <0), the control unit 7 turns on the sixth switch element Q6 and turns off the fifth switch element Q5. Further, during the period when the second output voltage V2 is negative, the controller 7 repeats the operation of switching on and off the second and third switch elements Q2 and Q3 by the PWM signal, and the first and fourth switch elements Q1 and Q4 are kept off. That is, during the period when the second output voltage V2 is negative, the sixth switch element Q6 is kept on, and the second and third switch elements Q2 and Q3 are alternately turned on and off. Here, the duty ratio of the second and third switch elements Q2, Q3 is a constant value (fixed).
したがって、第2出力電圧V2が負の期間において第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3がオンの状態では、第2変換回路2に正の第1出力電圧V1が印加されると、第3のスイッチ素子Q3→出力部82→第2のスイッチ素子Q2の経路で電流が流れる。このとき、クランプ回路22は、第5のスイッチ素子Q5がオフであるから、第5のダイオードD5には逆方向バイアスが印加されて非導通状態にある。そのため、出力部82に印加される第3出力電圧V3は、第1出力電圧V1に対応する大きさの負の電圧となり、出力部82を流れる負(図1では左向き)の出力電流I1は時間経過に伴い(絶対値が)増加する。
Therefore, when the second output voltage V2 is negative and the second and third switch elements Q2 and Q3 are in the on state, when the positive first output voltage V1 is applied to the
一方、第2出力電圧V2が負の期間において第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3がオフの状態では、クランプ回路22は、第5のダイオードD5→第6のスイッチ素子Q6の経路でリアクトル231,232の還流電流が流れる。このとき、クランプ回路22は、第5のダイオードD5に順方向バイアスが印加されて導通状態にある。そのため、出力部82に印加される第3出力電圧V3は略0〔V〕となり、出力部82を流れる負の出力電流I1は時間経過に伴い(絶対値が)減少する。
On the other hand, when the second and third switch elements Q2 and Q3 are off during the period when the second output voltage V2 is negative, the
なお、制御部7は、第5のスイッチ素子Q5と第6のスイッチ素子Q6とを同時にオンしないように、第2出力電圧V2のゼロクロス点の前後において、第5および第6のスイッチ素子Q5,Q6を同時にオフするデッドタイムが設けられている。 Note that the control unit 7 does not turn on the fifth switch element Q5 and the sixth switch element Q6 at the same time before and after the zero-cross point of the second output voltage V2, and controls the fifth and sixth switch elements Q5 and Q5. There is a dead time for simultaneously turning off Q6.
上述した動作により、電力変換装置10は、第2変換回路2の最終出力である第2出力電圧V2として、所望の交流電圧を生成することができる。さらに、第2出力電圧V2と出力電流I1との間の位相差は無視できる程度である。ここで、出力部82がフィルタとして機能することにより、第2出力電圧V2は正弦波状の交流電圧となる。なお、本実施形態では、第2出力電圧V2は商用電力系統に同期した50Hzまたは60Hzの交流電圧である。
With the above-described operation, the
図3は、第1変換回路1の出力である第1出力電圧V1、出力部82の入力である第3出力電圧V3、第2変換回路2の出力である第2出力電圧V2を示している。
FIG. 3 shows the first output voltage V1 that is the output of the
要するに、本実施形態の電力変換装置10は、上述した動作を繰り返すことにより、図3に示すような電圧波形を得ることができる。要するに、第1出力電圧V1は第2出力電圧V2を全波整流した波形(脈流波形)に近似の波形となる。さらに、第2出力電圧V2は正弦波状の交流電圧となり、第3出力電圧V3は包絡線が第2出力電圧V2に近似の波形となる。
In short, the
以上説明した本実施形態の電力変換装置10によれば、第1変換回路1は、第2出力電圧V2に同期して第1出力電圧V1の大きさを周期的に変化させることにより、第1出力電圧V1の波形を第2出力電圧V2の全波整流波形に合わせて整形する。そのため、電力変換装置10は、第2変換回路2の入力段でエネルギーを貯めなくても、第1出力電圧V1が第2出力電圧V2の瞬時値(絶対値)を下回ることを回避できる。したがって、電力変換装置10は、第2変換回路2の入力段に設けられるエネルギーストレージを小型化あるいは省略可能であり、電力変換装置10全体としての小型化を図ることができる。
According to the
すなわち、第2変換回路2に入力される第1出力電圧V1が一定であれば、第1出力電圧V1が第2出力電圧V2を下回らないように、第2変換回路2の入力段で第1出力電圧V1を第2出力電圧V2の最大値(絶対値)より大きな値に維持する必要がある。これに対して、本実施形態の電力変換装置10は、第2変換回路2に入力される第1出力電圧V1が一定でなく、第2出力電圧V2に同期して第1出力電圧V1の大きさが変化する。したがって、この電力変換装置10は、第1出力電圧V1を第2出力電圧V2の最大値より大きな値に維持する必要がなく、エネルギーストレージを小型化あるいは省略しても、第1出力電圧V1が第2出力電圧V2を下回ることを回避できる。
In other words, if the first output voltage V1 input to the
本実施形態においては、図1に示すように、第1変換回路1の出力段(第2変換回路2の入力段)に中間コンデンサ115が設けられている。この中間コンデンサ115には、たとえばフィルムコンデンサが用いられる。そのため、大容量の電解コンデンサを第1変換回路1の出力段(第2変換回路2の入力段)に設ける場合に比べて、コンデンサを大幅に小型化することができる。しかも、フィルムコンデンサは電解コンデンサに比べて長寿命であるから、中間コンデンサ115にフィルムコンデンサを用いることで、電力変換装置10の部品の長寿命化を図ることができる。なお、中間コンデンサ115は、フィルムコンデンサに限らず、電解コンデンサやその他のコンデンサであってもよく、さらに省略されていてもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, an
また、第2変換回路2は、上述したように、第1出力電圧V1のスイッチングを行うスイッチング部81と、誘導性負荷(リアクトル231,232)を含みスイッチング部81の出力を受けて第2出力電圧V2を出力する出力部82とを有することが好ましい。この場合、スイッチング部81は、第1出力電圧V1が同値の場合に出力部82に印加される電圧値を3段階以上の値の中で切り替えるように構成されていることが好ましい。
Further, as described above, the
この構成によれば、スイッチング部81は、出力電圧の切り替えが2段階のみの所謂2レベルインバータに比べて、出力部82に印加される電圧値を細かく調整できるので、出力部82への印加電圧を低減できる。その結果、出力部82の誘導性負荷(リアクトル231,232)への印加電圧が低減され、リアクトル231,232の小型化並びにリアクトル231,232での損失の低減を図ることができる。つまり、一般的に、リアクトルの印加電圧はリアクトルのインダクタンスに比例し、インダクタンスはリアクトルの体積に比例するため、印加電圧の低減はリアクトル231,232の小型化につながる。また、一般的に、リアクトルの印加電圧はリアクトルの磁束密度に比例し、磁束密度はリアクトルの鉄損に比例するため、印加電圧の低減はリアクトル231,232での損失低減につながる。
According to this configuration, since the switching
さらにまた、第1変換回路1は、上述したように、入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路11と、入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路12とを有することが好ましい。この場合、第1変換回路1は、第1出力電圧V1が入力電圧より低くなる期間には降圧チョッパ回路11で降圧を行い、第1出力電圧V1が入力電圧より高くなる期間には昇圧チョッパ回路12で昇圧を行うことにより、第1出力電圧V1の波形を整形する。
Furthermore, as described above, the
この構成によれば、降圧チョッパ回路11と昇圧チョッパ回路12とを組み合わせただけの比較的簡単な構成で、第1出力電圧V1の波形を全波整流波形(脈流波形)に整形することができる。
According to this configuration, the waveform of the first output voltage V1 can be shaped into a full-wave rectified waveform (pulsating waveform) with a relatively simple configuration in which the step-down
なお、本実施形態では、第1変換回路1と第2変換回路2とを1つの制御部7で制御する構成を例示したが、制御部は、第1変換回路1と第2変換回路2とで別々に設けられていてもよい。
In the present embodiment, the configuration in which the
(実施形態2)
本実施形態に係る電力変換装置10は、第2変換回路2のスイッチング部81が、第1出力電圧V1が同値の場合に出力部82に印加される電圧値を2段階で切り替えるように構成されている点で、実施形態1の電力変換装置10と相違する。以下、実施形態1と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
(Embodiment 2)
The
本実施形態の電力変換装置10は、クランプ回路22(図1参照)が省略され、図4に示すように、第2変換回路2のスイッチング部81がブリッジ回路21にて構成されている。つまり、スイッチング部81は、マルチレベルインバータではなく2レベルインバータからなる。そのため、出力部82は、ブリッジ回路21の出力端(第1の接続点211−第2の接続点212)間に、一対のリアクトル(誘導性負荷)231,232と出力コンデンサ(容量性負荷)24とが直列に直接接続されて構成されている。
In the
次に、本実施形態に係る電力変換装置10の動作について、図5を参照して説明する。図5では、横軸を時間軸として、第1出力電圧V1、第2出力電圧V2、第3出力電圧V3、さらに第1〜第4のスイッチ素子Q1〜Q4のオン、オフの別、リアクトル231を流れる出力電流I1を表している。ここでは、第1のスイッチ素子Q1および第4のスイッチ素子Q4のオン、オフの別は「Q1,Q4」で示し、第2のスイッチ素子Q2および第3のスイッチ素子Q3のオン、オフの別は「Q2,Q3」で示している。なお、第1出力電圧V1は、第2出力電圧V2の全波整流波形(一点鎖線で示す)に近い波形に整形されているものの、実際には実線で示すような揺らぎをもった波形となる。
Next, operation | movement of the
制御部7は、PWM信号により、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のオン、オフを切り替える動作を繰り返し、且つ第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のオン、オフを切り替える動作を繰り返す。このとき、制御部7は、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4の組と、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3の組とが交互にオンするように、PWM信号により第1〜第4のスイッチ素子Q1〜Q4の制御を行う。ここで、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比は可変である。 The control unit 7 repeats the operation of switching on and off the first and fourth switch elements Q1 and Q4 by the PWM signal, and performs the operation of switching on and off of the second and third switch elements Q2 and Q3. repeat. At this time, the control unit 7 uses the PWM signal so that the first and fourth switch elements Q1 and Q4 and the second and third switch elements Q2 and Q3 are alternately turned on. Control the fourth switch elements Q1 to Q4. Here, the duty ratios of the first and fourth switch elements Q1, Q4, and the second and third switch elements Q2, Q3 are variable.
第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4がオン、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3がオフの状態では、第2変換回路2に正の第1出力電圧V1が印加されると、第1のスイッチ素子Q1→出力部82→第4のスイッチ素子Q4の経路で電流が流れる。このとき、出力部82に印加される第3出力電圧V3は、第1出力電圧V2に対応する大きさの正の電圧となり、出力部82を流れる正(図5では右向き)の出力電流I1は時間経過に伴い増加する。
When the first and fourth switch elements Q1 and Q4 are on and the second and third switch elements Q2 and Q3 are off, when the positive first output voltage V1 is applied to the
一方、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3がオフ、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4がオンの状態では、第2変換回路2に正の第1出力電圧V1が印加されると、第3のスイッチ素子Q3→出力部82→第2のスイッチ素子Q2の経路で電流が流れる。このとき、出力部82に印加される第3出力電圧V3は、第1出力電圧V2に対応する大きさの負の電圧となり、出力部82を流れる負(図5では左向き)の出力電流I1は時間経過に伴い増加する。
On the other hand, when the second and third switch elements Q2 and Q3 are off and the first and fourth switch elements Q1 and Q4 are on, the positive first output voltage V1 is applied to the
したがって、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比が第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比より大きければ、出力部82を流れる正(図5では右向き)の出力電流I1は時間経過に伴い徐々に増加する。反対に、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比が第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比より小さければ、出力部82を流れる正(図5では右向き)の出力電流I1は時間経過に伴い徐々に減少する。
Therefore, if the duty ratios of the first and fourth switch elements Q1, Q4 are larger than the duty ratios of the second and third switch elements Q2, Q3, a positive (rightward in FIG. 5) output current flowing through the
そこで、制御部7は、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比を、第2出力電圧V2に同期して変化させることにより、第2出力電圧V2に同期した出力電流I1を実現する。具体的には、第2出力電圧V2が正の期間には、制御部7は、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比を時間経過に伴って徐々に大きくし、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比を時間経過に伴って徐々に小さくする。これにより、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比は、第2出力電圧V2が正から負に切り替わるゼロクロス点で最大となる。また、第2出力電圧V2の極大点においては、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比は、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比と等しくなる(いずれも50%)。 Therefore, the control unit 7 changes the duty ratio of the first and fourth switch elements Q1, Q4, and the second and third switch elements Q2, Q3 in synchronization with the second output voltage V2, thereby 2 An output current I1 synchronized with the output voltage V2 is realized. Specifically, during the period when the second output voltage V2 is positive, the control unit 7 gradually increases the duty ratio of the second and third switch elements Q2 and Q3 with the passage of time. The duty ratio of the fourth switch elements Q1 and Q4 is gradually decreased with time. As a result, the duty ratio of the second and third switch elements Q2, Q3 becomes maximum at the zero cross point at which the second output voltage V2 switches from positive to negative. Further, at the maximum point of the second output voltage V2, the duty ratios of the second and third switch elements Q2, Q3 are equal to the duty ratios of the first and fourth switch elements Q1, Q4 (both are 50). %).
これに対し、第2出力電圧V2が負の期間には、制御部7は、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比を時間経過に伴って徐々に大きくし、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比を時間経過に伴って徐々に小さくする。これにより、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比は、第2出力電圧V2が負から正に切り替わるゼロクロス点で最大となる。また、第2出力電圧V2の極小点においては、第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4のデューティ比は、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比と等しくなる(いずれも50%)。 On the other hand, during the period when the second output voltage V2 is negative, the control unit 7 gradually increases the duty ratio of the first and fourth switch elements Q1 and Q4 with the passage of time. 3, the duty ratio of the switch elements Q2 and Q3 is gradually reduced with time. As a result, the duty ratio of the first and fourth switch elements Q1, Q4 is maximized at the zero cross point at which the second output voltage V2 switches from negative to positive. At the minimum point of the second output voltage V2, the duty ratios of the first and fourth switch elements Q1, Q4 are equal to the duty ratios of the second and third switch elements Q2, Q3 (both are 50). %).
制御部7は、このように第1および第4のスイッチ素子Q1,Q4、第2および第3のスイッチ素子Q2,Q3のデューティ比を変化させることにより、第2出力電圧V2に同期して増減する出力電流I1を実現することができる。 The controller 7 increases or decreases in synchronization with the second output voltage V2 by changing the duty ratios of the first and fourth switch elements Q1 and Q4 and the second and third switch elements Q2 and Q3 in this way. Output current I1 can be realized.
上述した動作により、電力変換装置10は、第2変換回路2の最終出力である第2出力電圧V2として、所望の交流電圧を生成することができる。さらに、第2出力電圧V2と出力電流I1との間の位相差は無視できる程度である。ここで、出力部82がフィルタとして機能することにより、第2出力電圧V2は正弦波状の交流電圧となる。なお、本実施形態では、第2出力電圧V2は商用電力系統に同期した50Hzまたは60Hzの交流電圧である。
With the above-described operation, the
以上説明した本実施形態の電力変換装置10によれば、スイッチング部81に2レベルインバータを用いて、第2変換回路2の構成を簡略化することができる。その結果、電力変換装置10は、第2変換回路2を構成する部品点数を減らすことができ、電力変換装置10全体としての小型化を図ることができる。
According to the
その他の構成および機能は実施形態1と同様である。 Other configurations and functions are the same as those of the first embodiment.
1 第1変換回路
11 降圧チョッパ回路
12 昇圧チョッパ回路
2 第2変換回路
3 直流電源
81 スイッチング部
82 出力部
V1 第1出力電圧
V2 第2出力電圧
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第1出力電圧を交流の第2出力電圧に変換して出力する第2変換回路とを備え、
前記第1変換回路は、前記第2出力電圧に同期して前記第1出力電圧の大きさを周期的に変化させることにより、前記第1出力電圧の波形を前記第2出力電圧の全波整流波形に合わせて整形するように構成されている
ことを特徴とする電力変換装置。 A first conversion circuit that changes the magnitude of a DC input voltage applied from a DC power supply and outputs the first output voltage as a DC first output voltage;
A second conversion circuit that converts the first output voltage into an AC second output voltage and outputs the second output voltage,
The first conversion circuit periodically changes the magnitude of the first output voltage in synchronization with the second output voltage, thereby converting the waveform of the first output voltage into a full-wave rectification of the second output voltage. A power conversion device configured to be shaped according to a waveform.
前記スイッチング部は、前記第1出力電圧が同値の場合に前記出力部に印加される電圧値を3段階以上の値の中で切り替えるように構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The second conversion circuit includes a switching unit that performs switching of the first output voltage, and an output unit that includes an inductive load and receives the output of the switching unit and outputs the second output voltage,
The said switching part is comprised so that the voltage value applied to the said output part may be switched in the value of 3 steps | paragraphs or more when the said 1st output voltage is the same value. Power converter.
前記入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、前記入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路とを有し、
前記第1出力電圧が前記入力電圧より低くなる期間には前記降圧チョッパ回路で降圧を行い、前記第1出力電圧が前記入力電圧より高くなる期間には前記昇圧チョッパ回路で昇圧を行うことにより、前記第1出力電圧の波形を整形するように構成されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
The first conversion circuit includes:
A step-down chopper circuit for stepping down the input voltage; and a step-up chopper circuit for stepping up the input voltage;
By performing step-down by the step-down chopper circuit during a period when the first output voltage is lower than the input voltage, and performing step-up by the step-up chopper circuit during a period when the first output voltage is higher than the input voltage, The power converter according to claim 1, wherein the power converter is configured to shape a waveform of the first output voltage.
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