JP2020162331A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関し、例えば、高圧の交流電圧から種々の直流電圧を生成する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, for example, a power conversion device that generates various DC voltages from a high voltage AC voltage.
一般に、工場やビル等の需要家側において、電力系統から供給された交流電圧を直流電圧に変換して各種電気機器に供給する電力供給システムは、変圧器、ＡＣ／ＤＣコンバータ、およびＤＣ／ＤＣコンバータ等の種々の電力変換装置を用いて、送電線等から受電した高圧の交流電圧を降圧し、降圧した交流電圧から種々の直流電圧を生成している（特許文献１参照）。 Generally, on the consumer side such as a factory or a building, the power supply system that converts the AC voltage supplied from the power system into a DC voltage and supplies it to various electric devices is a transformer, an AC / DC converter, and a DC / DC. Various power conversion devices such as converters are used to step down the high-voltage AC voltage received from the transmission line or the like, and various DC voltages are generated from the stepped-down AC voltage (see Patent Document 1).
しかしながら、上述したように、従来の需要家側の電力供給システムは、変圧器やＡＣ／ＤＣコンバータ等の複数の電力変換装置を用いて高圧の交流電圧から種々の直流電圧を生成しているため、電力の変換効率が低いという課題がある。 However, as described above, the conventional power supply system on the consumer side uses a plurality of power conversion devices such as a transformer and an AC / DC converter to generate various DC voltages from a high-voltage AC voltage. , There is a problem that the power conversion efficiency is low.
また、上記電力供給システムが産業用の太陽光発電設備等の発電容量が５０ｋＷ以上の発電設備を有する高圧連系用システムである場合、より多くの変圧器やＡＣ／ＤＣコンバータ等が必要になるため、システムがより大型になるという課題がある。 Further, when the power supply system is a high-voltage interconnection system having a power generation capacity of 50 kW or more such as an industrial photovoltaic power generation facility, more transformers, AC / DC converters, etc. are required. Therefore, there is a problem that the system becomes larger.
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、小型且つ高効率な電力供給システムを実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to realize a compact and highly efficient power supply system.
本発明の代表的な実施の形態に係る、電力変換装置は、三相交流の各相に対応する電線にそれぞれ接続可能にされ、互いにスター結線またはデルタ結線された複数の変換部と、前記変換部を制御する制御部とを備え、前記変換部は、直列に接続された複数のブリッジセルを有し、前記ブリッジセルは、交流電圧を入出力するための第１入出力端子および第２入出力端子と、コンデンサと、前記制御部からの制御信号に応じて、前記第１入出力端子および前記第２入出力端子と前記コンデンサとの間の接続を切り替えるインバータ回路と、前記コンデンサの一端に接続された第１出力端子と、前記コンデンサの他端に接続された第２出力端子とを含むことを特徴とする。 The power conversion device according to a typical embodiment of the present invention has a plurality of conversion units that are connected to electric wires corresponding to each phase of three-phase AC and are star-connected or delta-connected to each other, and the conversion. The conversion unit includes a control unit for controlling the unit, the conversion unit has a plurality of bridge cells connected in series, and the bridge cells have a first input / output terminal and a second input / output terminal for inputting / outputting an AC voltage. At one end of the capacitor, an output terminal, a capacitor, an inverter circuit that switches the connection between the first input / output terminal, the second input / output terminal, and the capacitor according to a control signal from the control unit. It is characterized by including a connected first output terminal and a second output terminal connected to the other end of the capacitor.
本発明に係る電力変換装置によれば、小型且つ高効率な電力供給システムを実現することが可能となる。 According to the power conversion device according to the present invention, it is possible to realize a compact and highly efficient power supply system.
１．実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。なお、以下の説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を、括弧を付して記載している。
1. 1. Outline of Embodiment First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described. In the following description, as an example, reference numerals on drawings corresponding to the components of the invention are described in parentheses.
〔１〕本発明の代表的な実施の形態に係る電力変換装置は、三相交流の各相（ａ〜ｂ）に対応する電線（２０ａ〜２０ｃ）にそれぞれ接続可能にされ、互いにスター結線またはデルタ結線された複数の変換部（１ａ〜１ｃ）と、前記変換部を制御する制御部（２，２Ｃ）とを備え、前記変換部は、直列に接続された複数のブリッジセル（１０＿１〜１０＿ｎ，１０Ａ＿１〜１０Ａ＿ｎ，）を有し、前記ブリッジセルは、交流電圧を入出力するための第１入出力端子（Ｐ１）および第２入出力端子（Ｐ２）と、コンデンサ（Ｃ）と、前記制御部からの制御信号（Ｓａ〜Ｓｃ）に応じて、前記第１入出力端子および前記第２入出力端子と前記コンデンサとの間の接続を切り替えるインバータ回路（１１）と、前記コンデンサの一端に接続された第１出力端子（Ｐ３）と、前記コンデンサの他端に接続された第２出力端子（Ｐ４）とを含むことを特徴とする。 [1] The power conversion device according to a typical embodiment of the present invention is made connectable to electric wires (20a to 20c) corresponding to each phase (a to b) of three-phase AC, and is star-connected or connected to each other. A plurality of delta-connected conversion units (1a to 1c) and a control unit (2, 2C) for controlling the conversion unit are provided, and the conversion unit is a plurality of bridge cells (10_1 to 10_n) connected in series. , 10A_1 to 10A_n,), and the bridge cell includes a first input / output terminal (P1) and a second input / output terminal (P2) for inputting / outputting an AC voltage, a capacitor (C), and the control. An inverter circuit (11) that switches the connection between the first input / output terminal and the second input / output terminal and the capacitor according to control signals (Sa to Sc) from the unit, and a connection to one end of the capacitor. It is characterized by including a first output terminal (P3) connected to the other end of the capacitor and a second output terminal (P4) connected to the other end of the capacitor.
〔２〕上記電力変換装置において、各前記変換部における各前記ブリッジセルの前記コンデンサは、互いに異なる静電容量を有していてもよい。 [2] In the power conversion device, the capacitors of the bridge cells in each conversion unit may have different capacitances from each other.
〔３〕上記電力変換装置において、前記インバータ回路は、第１主電極、第２主電極、および制御電極をそれぞれ有する第１トランジスタ（Ｔ１）、第２トランジスタ（Ｔ２）、第３トランジスタ（Ｔ３）、および第４トランジスタ（Ｔ４）とを含み、前記第１トランジスタの第１主電極と前記第３トランジスタの第２主電極とが前記第１入出力端子に接続され、前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極とが前記第１出力端子に接続され、前記第２トランジスタの第１主電極と前記第４トランジスタの第２主電極とが前記第２入出力端子に接続され、前記第３トランジスタの第１主電極と前記第４トランジスタの第１主電極とが前記第２出力端子に接続され、前記第１乃至第４トランジスタの各制御電極には、前記制御信号が入力されていてもよい。 [3] In the power conversion device, the inverter circuit has a first transistor (T1), a second transistor (T2), and a third transistor (T3) having a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, respectively. , And a fourth transistor (T4), the first main electrode of the first transistor and the second main electrode of the third transistor are connected to the first input / output terminal, and the second of the first transistor. The main electrode and the second main electrode of the second transistor are connected to the first output terminal, and the first main electrode of the second transistor and the second main electrode of the fourth transistor are the second input / output terminal. The first main electrode of the third transistor and the first main electrode of the fourth transistor are connected to the second output terminal, and the control electrodes of the first to fourth transistors are connected to the control. A signal may be input.
〔４〕上記電力変換装置において、前記インバータ回路は、第１主電極、第２主電極、および制御電極をそれぞれ有する第１トランジスタ（Ｔ１）および第２トランジスタ（Ｔ２）を含み、前記第１トランジスタの前記第１主電極と前記第２トランジスタの前記第２主電極とが前記第１入出力端子に接続され、前記第１トランジスタの前記第２主電極が前記第１出力端子に接続され、前記第２トランジスタの前記第１主電極が前記第２入出力端子と前記第２出力端子に接続され、前記第１および第２トランジスタの前記制御電極には、前記制御信号がそれぞれ入力されていてもよい。 [4] In the power conversion device, the inverter circuit includes a first transistor (T1) and a second transistor (T2) having a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, respectively, and the first transistor. The first main electrode and the second main electrode of the second transistor are connected to the first input / output terminal, and the second main electrode of the first transistor is connected to the first output terminal. Even if the first main electrode of the second transistor is connected to the second input / output terminal and the second output terminal, and the control signal is input to the control electrodes of the first and second transistors, respectively. Good.
〔５〕上記電力変換装置において、前記複数のブリッジセルのうちの一つのブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子の間に、前記一つのブリッジセルと異なる他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子の間の電圧に基づいて生成した直流電圧を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を更に有していてもよい。 [5] In the power conversion device, the bridge cell of another bridge cell different from the one bridge cell between the first output terminal and the second output terminal of one of the plurality of bridge cells. It may further have a DC / DC converter (4) that supplies a DC voltage generated based on the voltage between the first output terminal and the second output terminal.
〔６〕上記電力変換装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、一端が前記他のブリッジセルの前記第１出力端子に接続された一次側コイル（Ｌ１）と、一端が前記一つのブリッジセルの前記第２出力端子と接続された二次側コイル（Ｌ２）とを有するトランス（ＴＲ）と、前記他のブリッジセルの前記第２出力端子に接続された第１主電極と、前記一次側コイルの他端に接続された第２主電極と、前記制御部から信号が入力される制御電極とを有するスイッチングトランジスタ（Ｔｓ）と、一端が前記二次側コイルの他端に接続され、他端が前記一つのブリッジセルの前記第１出力端子に接続され、前記一端から前記他端へ電流を流す整流素子（ＤＲ）と、前記整流素子の他端と前記二次側コイルの一端との間に接続された出力コンデンサ（Ｃｏｕｔ）とを含んでもよい。 [6] In the power conversion device, the DC / DC converter has a primary coil (L1) having one end connected to the first output terminal of the other bridge cell and one end of the one bridge cell. A transformer (TR) having a secondary coil (L2) connected to a second output terminal, a first main electrode connected to the second output terminal of the other bridge cell, and the primary coil. A switching transistor (Ts) having a second main electrode connected to the other end and a control electrode to which a signal is input from the control unit, one end connected to the other end of the secondary coil, and the other end Between the rectifying element (DR) connected to the first output terminal of the one bridge cell and flowing a current from the one end to the other end, and between the other end of the rectifying element and one end of the secondary coil. It may include a connected output capacitor (Cout).
〔７〕上記電力変換装置において、前記他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記整流素子の他端の間、または前記他のブリッジセルの前記第２出力端子と前記二次側コイルの一端に接続された出力切替スイッチ（ＳＷ）を更に有し、前記制御部は、前記他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子との間の電圧が所定の範囲内にある場合に、前記出力切替スイッチをオンし、前記他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子との間の電圧が所定の範囲外にある場合に、前記出力切替スイッチをオフするとともに、前記スイッチングトランジスタの制御電極に信号を供給して、前記スイッチングトランジスタをスイッチングしてもよい。 [7] In the power conversion device, between the first output terminal of the other bridge cell and the other end of the rectifying element, or between the second output terminal of the other bridge cell and one end of the secondary coil. Further having an output changeover switch (SW) connected to the control unit, the control unit is used when the voltage between the first output terminal and the second output terminal of the other bridge cell is within a predetermined range. The output changeover switch is turned on, and when the voltage between the first output terminal and the second output terminal of the other bridge cell is out of the predetermined range, the output changeover switch is turned off. , The switching transistor may be switched by supplying a signal to the control electrode of the switching transistor.
２．実施の形態の具体例
以下、本発明の実施の形態の具体例について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
2. 2. Specific Examples of Embodiments Hereinafter, specific examples of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same reference reference numerals will be given to the components common to each embodiment, and the repeated description will be omitted.
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。
図１に示す電力変換装置１００は、交流電圧から複数の直流電圧を生成する機器である。電力変換装置１００は、例えば６．６ｋＶ等の高圧の交流電圧から１２Ｖ、４８Ｖ等の低圧の直流電圧を生成する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to a first embodiment of the present invention.
The power conversion device 100 shown in FIG. 1 is a device that generates a plurality of DC voltages from an AC voltage. The power converter 100 generates a low voltage DC voltage such as 12V or 48V from a high voltage AC voltage such as 6.6 kV.
電力変換装置１００は、交流電源５から出力された交流電力を電線２０ａ〜２０ｃを介して入力する。交流電源５は、三相３線式で交流電力を供給する送電設備であり、例えば、変電所の変圧器や柱上変圧器等である。電線２０ａ〜２０ｃは、三相（ａ相、ｂ相、ｃ相）の交流電圧をそれぞれ伝送するための電線である。 The power conversion device 100 inputs the AC power output from the AC power supply 5 via the electric wires 20a to 20c. The AC power source 5 is a power transmission facility that supplies AC power in a three-phase, three-wire system, and is, for example, a transformer in a substation, a pole transformer, or the like. The electric wires 20a to 20c are electric wires for transmitting AC voltages of three phases (a phase, b phase, and c phase), respectively.
電力変換装置１００は、複数の変換部１ａ〜１ｃを備えている。変換部１ａ〜１ｃは、三相交流の各相に対応して設けられ、対応する一つの相の交流電圧を複数に分割する機能部である。 The power conversion device 100 includes a plurality of conversion units 1a to 1c. The conversion units 1a to 1c are functional units that are provided corresponding to each phase of the three-phase AC and divide the AC voltage of one corresponding phase into a plurality of units.
各変換部１ａ〜１ｃは、対応する電線２０ａ〜２０ｃにそれぞれ接続可能にされ、互いにスター結線されている。具体的に、変換部１ａの一端は、ａ相の交流電圧が供給される電線２０ａに接続され、変換部１ｂの一端は、ｂ相の交流電圧が供給される電線２０ｂに接続され、変換部１ｃの一端は、ｃ相の交流電圧が供給される電線２０ｃに接続されている。各変換部１ａ〜１ｃの他端は共通に接続されている。 The conversion units 1a to 1c are made connectable to the corresponding electric wires 20a to 20c, and are star-connected to each other. Specifically, one end of the conversion unit 1a is connected to the electric wire 20a to which the a-phase AC voltage is supplied, and one end of the conversion unit 1b is connected to the electric wire 20b to which the b-phase AC voltage is supplied. One end of 1c is connected to an electric wire 20c to which a c-phase AC voltage is supplied. The other ends of the conversion units 1a to 1c are commonly connected.
なお、以下の説明において各変換部１ａ〜１ｃを区別しない場合には、単に、「変換部１」と表記する場合がある。 In the following description, when the conversion units 1a to 1c are not distinguished, it may be simply referred to as "conversion unit 1".
図１に示すように、電力変換装置１００は、３つの変換部（クラスタ）１ａ〜１ｃをスター形に結線した単一形マルチレベル変換回路、すなわち単一スターＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を構成している。 As shown in FIG. 1, the power conversion device 100 constitutes a single-type multi-level conversion circuit in which three conversion units (clusters) 1a to 1c are connected in a star shape, that is, a single-star MMC (Modular Multi-level Converter). ing.
電力変換装置１００は、電線２０ａ〜２０ｃを伝搬する三相交流電力に対する無効電力補償回路として動作するとともに、後述する各変換部１ａ〜１ｃのブリッジセル１０によって交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータとしても機能する。 The power conversion device 100 operates as an ineffective power compensation circuit for three-phase AC power propagating through the electric wires 20a to 20c, and also converts the AC voltage into a DC voltage by the bridge cells 10 of the conversion units 1a to 1c described later. It also functions as a DC converter.
一般に、従来の無効電力補償装置としての単一形マルチレベル変換回路は、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端から電圧を出力するように構成されていないが、本実施の形態に係る電力変換装置１００は、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端に出力端子Ｐ３，Ｐ４を設けることにより、コンデンサＣの直流電圧が出力可能に構成されている。 Generally, the conventional single-type multi-level conversion circuit as a reactive power compensator is not configured to output a voltage from both ends of a capacitor C of each bridge cell 10, but the power conversion device according to the present embodiment. 100 is configured to be able to output the DC voltage of the capacitor C by providing output terminals P3 and P4 at both ends of the capacitor C of each bridge cell 10.
また、従来の無効電力補償装置としての単一形マルチレベル変換回路は、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの静電容量が全て同一の値に設定されているが、本実施の形態に係る電力変換装置１００は、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの容量を互いに相違させることにより、種々の直流電圧の生成が可能となっている。
以下、電力変換装置１００を構成する変換部１について、詳細に説明する。
Further, in the conventional single-type multi-level conversion circuit as a reactive power compensator, the capacitances of the capacitors C of each bridge cell 10 are all set to the same value, but the power conversion according to the present embodiment. The device 100 can generate various DC voltages by making the capacitances of the capacitors C of the bridge cells 10 different from each other.
Hereinafter, the conversion unit 1 constituting the power conversion device 100 will be described in detail.
変換部１は、直列に接続された複数のブリッジセル１０を有している。具体的に、変換部１ａは、電線２０ａと中性点Ｎとの間に直列に接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎを有する。変換部１ｂは、電線２０ｂと中性点Ｎとの間に直列に接続されたｎ個のブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎを有する。変換部１ｃは、電線２０ｃと中性点Ｎとの間に直列に接続されたｎ個のブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎを有している。 The conversion unit 1 has a plurality of bridge cells 10 connected in series. Specifically, the conversion unit 1a has n (n is an integer of 2 or more) bridge cells 10_1 to 10_n connected in series between the electric wire 20a and the neutral point N. The conversion unit 1b has n bridge cells 10_1 to 10_n connected in series between the electric wire 20b and the neutral point N. The conversion unit 1c has n bridge cells 10_1 to 10_n connected in series between the electric wire 20c and the neutral point N.
また、図１に示すように、電流制御や短絡電流を抑制するために、各変換部１ａ〜１ｃに、コイルＬ（バッファリアクトル）を直列に接続してもよい。 Further, as shown in FIG. 1, in order to control the current and suppress the short-circuit current, the coil L (buffer reactor) may be connected in series to each of the conversion units 1a to 1c.
ブリッジセル１０は、入力された交流電圧から所定の直流電圧を生成する回路である。図１に示すように、ブリッジセル１０＿１は、入出力端子Ｐ１，Ｐ２と、出力端子Ｐ３，Ｐ４と、インバータ回路１１と、コンデンサＣとを含む。なお、各ブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎの回路構成は同一であり、図１には、一例としてブリッジセル１０＿１の内部構成が図示されている。 The bridge cell 10 is a circuit that generates a predetermined DC voltage from the input AC voltage. As shown in FIG. 1, the bridge cell 10_1 includes input / output terminals P1 and P2, output terminals P3 and P4, an inverter circuit 11, and a capacitor C. The circuit configurations of the bridge cells 10_1 to 10_n are the same, and FIG. 1 shows an internal configuration of the bridge cells 10_1 as an example.
入出力端子Ｐ１，Ｐ２は、交流電力を入出力するための端子である。すなわち、入出力端子Ｐ１，Ｐ２は、電線２０ａ〜２０ｃ側から交流電圧を入力するとともに、複数のブリッジセル１０によって生成されたマルチレベルの電圧を電線２０ａ〜２０ｃ側に出力する。 The input / output terminals P1 and P2 are terminals for inputting / outputting AC power. That is, the input / output terminals P1 and P2 input the AC voltage from the electric wires 20a to 20c side, and output the multi-level voltage generated by the plurality of bridge cells 10 to the electric wires 20a to 20c side.
出力端子Ｐ３，Ｐ４は、直流電圧を出力するための端子である。出力端子Ｐ３，Ｐ４には、直流電圧で駆動される負荷３が接続可能となっている。 The output terminals P3 and P4 are terminals for outputting a DC voltage. A load 3 driven by a DC voltage can be connected to the output terminals P3 and P4.
コンデンサＣは、インバータ回路１１を介して電線２０ａ〜２０ｃ側から供給された電力を蓄える素子である。コンデンサＣの一端は、出力端子Ｐ３と接続され、コンデンサＣの他端は、出力端子Ｐ４と接続されている。 The capacitor C is an element that stores electric power supplied from the electric wires 20a to 20c side via the inverter circuit 11. One end of the capacitor C is connected to the output terminal P3, and the other end of the capacitor C is connected to the output terminal P4.
インバータ回路１１は、制御部２からの制御信号Ｓａ〜Ｓｃに応じて、入出力端子Ｐ１，Ｐ２とコンデンサＣとの間の接続を切り替える回路である。インバータ回路１１は、少なくとも２つのトランジスタを含んで構成されている。具体的に、インバータ回路１１は、フルブリッジ回路を構成するトランジスタＴ１〜Ｔ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４とを含んでいる。 The inverter circuit 11 is a circuit that switches the connection between the input / output terminals P1 and P2 and the capacitor C according to the control signals Sa to Sc from the control unit 2. The inverter circuit 11 is configured to include at least two transistors. Specifically, the inverter circuit 11 includes transistors T1 to T4 and diodes D1 to D4 that form a full bridge circuit.
トランジスタＴ１〜Ｔ４は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等の電流遮断機能を有するトランジスタである。 The transistors T1 to T4 are transistors having a current cutoff function such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a GCT (Gate Commutated Turn-off Thyristor).
トランジスタＴ１とトランジスタＴ３は、出力端子Ｐ３，Ｐ４間に直列に接続されている。すなわち、トランジスタＴ１の第１主電極としてのエミッタ電極は、入出力端子Ｐ１およびダイオードＤ１のアノード電極と接続されている。トランジスタＴ１の第２主電極としてのコレクタ電極は、出力端子Ｐ３およびダイオードＤ１のカソード電極と接続されている。トランジスタＴ３の第１主電極としてのエミッタ電極は、出力端子Ｐ４およびダイオードＤ３のアノード電極と接続されている。トランジスタＴ３の第２主電極としてのコレクタ電極は、入出力端子Ｐ１およびダイオードＤ３のカソード電極と接続されている。 The transistor T1 and the transistor T3 are connected in series between the output terminals P3 and P4. That is, the emitter electrode as the first main electrode of the transistor T1 is connected to the input / output terminal P1 and the anode electrode of the diode D1. The collector electrode as the second main electrode of the transistor T1 is connected to the output terminal P3 and the cathode electrode of the diode D1. The emitter electrode as the first main electrode of the transistor T3 is connected to the output terminal P4 and the anode electrode of the diode D3. The collector electrode as the second main electrode of the transistor T3 is connected to the input / output terminal P1 and the cathode electrode of the diode D3.
トランジスタＴ２とトランジスタＴ４は、出力端子Ｐ３，Ｐ４間に直列に接続されている。すなわち、トランジスタＴ２の第１主電極としてのエミッタ電極は、入出力端子Ｐ２およびダイオードＤ２のアノード電極と接続されている。トランジスタＴ２の第２主電極としてのコレクタ電極は、出力端子Ｐ３およびダイオードＤ２のカソード電極と接続されている。トランジスタＴ４の第１主電極としてのエミッタ電極は、出力端子Ｐ４およびダイオードＤ４のアノード電極と接続されている。トランジスタＴ４の第２主電極としてのコレクタ電極は、入出力端子Ｐ２およびダイオードＤ４のカソード電極と接続されている。 The transistor T2 and the transistor T4 are connected in series between the output terminals P3 and P4. That is, the emitter electrode as the first main electrode of the transistor T2 is connected to the input / output terminal P2 and the anode electrode of the diode D2. The collector electrode as the second main electrode of the transistor T2 is connected to the output terminal P3 and the cathode electrode of the diode D2. The emitter electrode as the first main electrode of the transistor T4 is connected to the output terminal P4 and the anode electrode of the diode D4. The collector electrode as the second main electrode of the transistor T4 is connected to the input / output terminal P2 and the cathode electrode of the diode D4.
各ブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎのトランジスタＴ１〜Ｔ４は、制御部２からの制御信号Ｓａ〜Ｓｃによってオン／オフが制御される。 The transistors T1 to T4 of the bridge cells 10_1 to 10_n are turned on / off by the control signals Sa to Sc from the control unit 2.
図１において、参照符号Ｓａ〜Ｓｃは、各ブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎを構成する各トランジスタＴ１〜Ｔ４を駆動するための制御信号の束を表している。すなわち、参照符号Ｓａは、変換部１ａにおける各トランジスタＴ１〜Ｔ４の制御電極としてのゲート電極を駆動するための制御信号（ゲート駆動信号）の束を表している。参照符号Ｓｂは、変換部１ｂにおける各トランジスタＴ１〜Ｔ４の制御電極としてのゲート電極を駆動するための制御信号（ゲート駆動信号）の束を表している。参照符号Ｓｃは、変換部１ｃにおける各トランジスタＴ１〜Ｔ４の制御電極としてのゲート電極を駆動するための制御信号（ゲート駆動信号）の束を表している。 In FIG. 1, reference numerals Sa to Sc represent a bundle of control signals for driving the transistors T1 to T4 constituting the bridge cells 10_1 to 10_n. That is, the reference reference numeral Sa represents a bundle of control signals (gate drive signals) for driving the gate electrodes as control electrodes of the transistors T1 to T4 in the conversion unit 1a. Reference numeral Sb represents a bundle of control signals (gate drive signals) for driving the gate electrodes as control electrodes of the transistors T1 to T4 in the conversion unit 1b. Reference numeral Sc represents a bundle of control signals (gate drive signals) for driving the gate electrodes as control electrodes of the transistors T1 to T4 in the conversion unit 1c.
図２Ａ〜図２Ｄは、実施の形態１に係る電力変換装置におけるブリッジセル１０の動作を説明するための図である。図３は、実施の形態１に係る電力変換装置におけるブリッジセル１０の入出力端子Ｐ１，Ｐ２間から出力される電圧のタイミングチャートである。 2A to 2D are diagrams for explaining the operation of the bridge cell 10 in the power conversion device according to the first embodiment. FIG. 3 is a timing chart of the voltage output from between the input / output terminals P1 and P2 of the bridge cell 10 in the power conversion device according to the first embodiment.
ブリッジセル１０は、トランジスタＴ１〜Ｔ４のスイッチングパターンを切り替えることにより、電線２０ａ〜２０ｃから入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して入力された交流電力によってコンデンサＣを充電するとともに、コンデンサＣの電圧Ｖｃを入出力端子Ｐ１，Ｐ２から電線２０ａ〜２０ｃに出力する。 By switching the switching pattern of the transistors T1 to T4, the bridge cell 10 charges the capacitor C with the AC power input from the electric wires 20a to 20c via the input / output terminals P1 and P2, and also charges the voltage Vc of the capacitor C. Output is output from the input / output terminals P1 and P2 to the electric wires 20a to 20c.
トランジスタＴ１〜Ｔ４のスイッチングパターンとしては、図２Ａ〜図２Ｄに示す４パターンがある。 As the switching pattern of the transistors T1 to T4, there are four patterns shown in FIGS. 2A to 2D.
すなわち、図２Ａに示す第１スイッチングパターンは、トランジスタＴ１，Ｔ４がオンし、トランジスタＴ２，Ｔ３がオフした状態である。この場合、入出力端子Ｐ１がトランジスタＴ１を介してコンデンサＣの一端に接続され、入出力端子Ｐ２がトランジスタＴ４を介してコンデンサＣの他端に接続される。これにより、図３に示すように、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧Ｖｏ（入出力端子Ｐ２に対する入出力端子Ｐ１の電圧）は“＋Ｖｃ”となる。 That is, the first switching pattern shown in FIG. 2A is a state in which the transistors T1 and T4 are turned on and the transistors T2 and T3 are turned off. In this case, the input / output terminal P1 is connected to one end of the capacitor C via the transistor T1, and the input / output terminal P2 is connected to the other end of the capacitor C via the transistor T4. As a result, as shown in FIG. 3, the voltage Vo between the input / output terminals P1 and P2 (the voltage of the input / output terminal P1 with respect to the input / output terminal P2) becomes “+ Vc”.
図２Ｂに示す第２スイッチングパターンは、トランジスタＴ１，Ｔ２がオンし、トランジスタＴ３，Ｔ４がオフした状態である。この場合、入出力端子Ｐ１と入出力端子Ｐ２が、トランジスタＴ１，Ｔ２を介して短絡する。これにより、図３に示すように、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧Ｖｏは“０”となる。 The second switching pattern shown in FIG. 2B is a state in which the transistors T1 and T2 are turned on and the transistors T3 and T4 are turned off. In this case, the input / output terminal P1 and the input / output terminal P2 are short-circuited via the transistors T1 and T2. As a result, as shown in FIG. 3, the voltage Vo between the input / output terminals P1 and P2 becomes “0”.
図２Ｃに示す第３スイッチングパターンは、トランジスタＴ１，Ｔ２がオフし、トランジスタＴ３，Ｔ４がオンした状態である。この場合、入出力端子Ｐ１と入出力端子Ｐ２が、トランジスタＴ３，Ｔ４を介して短絡する。これにより、図３に示すように、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧Ｖｏは“０”となる。 The third switching pattern shown in FIG. 2C is a state in which the transistors T1 and T2 are turned off and the transistors T3 and T4 are turned on. In this case, the input / output terminal P1 and the input / output terminal P2 are short-circuited via the transistors T3 and T4. As a result, as shown in FIG. 3, the voltage Vo between the input / output terminals P1 and P2 becomes “0”.
図２Ｄに示す第４スイッチングパターンは、トランジスタＴ１，Ｔ４がオフし、トランジスタＴ２，Ｔ３がオンした状態である。この場合、入出力端子Ｐ１がトランジスタＴ３を介してコンデンサＣの他端に接続され、入出力端子Ｐ２がトランジスタＴ２を介してコンデンサＣの一端に接続される。これにより、図３に示すように、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧Ｖｏは“−Ｖｃ”となる。 The fourth switching pattern shown in FIG. 2D is a state in which the transistors T1 and T4 are turned off and the transistors T2 and T3 are turned on. In this case, the input / output terminal P1 is connected to the other end of the capacitor C via the transistor T3, and the input / output terminal P2 is connected to one end of the capacitor C via the transistor T2. As a result, as shown in FIG. 3, the voltage Vo between the input / output terminals P1 and P2 becomes “−Vc”.
制御部２は、制御信号Ｓａ〜Ｓｃによって各変換部１ａ〜１ｃのトランジスタＴ１〜Ｔ４のスイッチングパターンを切り替えることにより、マルチレベルの電圧を生成し、入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して電線２０ａ〜２０ｃ側に出力する。 The control unit 2 generates a multi-level voltage by switching the switching pattern of the transistors T1 to T4 of the conversion units 1a to 1c by the control signals Sa to Sc, and the electric wires 20a to the electric wires 20a to the input / output terminals P1 and P2. Output to the 20c side.
図４は、実施の形態１に係る電力変換装置の変換部１によるマルチレベルの電圧の生成原理を説明するための図である。
図４には、理解の容易化のため、変換部１に含まれるブリッジセル１０の個数を二個（ｎ＝２）した場合において、変換部１が生成するマルチレベルの電圧Ｖｏの波形と、ブリッジセル１０のスイッチングパターンとの対応関係が示されている。
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of generating a multi-level voltage by the conversion unit 1 of the power conversion device according to the first embodiment.
FIG. 4 shows the waveform of the multi-level voltage Vo generated by the conversion unit 1 when the number of bridge cells 10 included in the conversion unit 1 is two (n = 2) for easy understanding. The correspondence with the switching pattern of the bridge cell 10 is shown.
図４において、二つのブリッジセル１０のうち電線２０ａ〜２０ｃ側に接続されるブリッジセル１０を「上側ブリッジセル１０Ｈ」とし、中性点Ｎ側に接続されるブリッジセル１０を「下側ブリッジセル１０Ｌ」と表記する。また、下側ブリッジセル１０Ｌの入出力端子Ｐ２に対する上側ブリッジセル１０Ｈの入出力端子Ｐ１の電圧を「Ｖｏ」と表記する。なお、ここでは、中性点Ｎをグラウンド電位に接続した場合が一例として示されている。 In FIG. 4, of the two bridge cells 10, the bridge cell 10 connected to the electric wires 20a to 20c side is referred to as the “upper bridge cell 10H”, and the bridge cell 10 connected to the neutral point N side is referred to as the “lower bridge cell 10”. Notated as "10L". Further, the voltage of the input / output terminal P1 of the upper bridge cell 10H with respect to the input / output terminal P2 of the lower bridge cell 10L is referred to as “Vo”. Here, the case where the neutral point N is connected to the ground potential is shown as an example.
また、図４において、上側ブリッジセル１０ＨのコンデンサＣの静電容量が“３ｃ／４”、下側ブリッジセル１０ＬのコンデンサＣの静電容量が“ｃ／４”であって、上側ブリッジセル１０ＨのコンデンサＣの電圧が“Ｖｄｃ／４”に保持され、下側ブリッジセル１０ＬのコンデンサＣの電圧が“３Ｖｄｃ／４”に保持されているとする。 Further, in FIG. 4, the capacitance of the capacitor C of the upper bridge cell 10H is “3c / 4”, the capacitance of the capacitor C of the lower bridge cell 10L is “c / 4”, and the upper bridge cell 10H It is assumed that the voltage of the capacitor C of the above is held at "Vdc / 4" and the voltage of the capacitor C of the lower bridge cell 10L is held at "3Vdc / 4".
図４に示すように、期間ｔ１において、上側ブリッジセル１０ＨのトランジスタＴ１，Ｔ４をオンし、Ｔ２，Ｔ３をオフするとともに、下側ブリッジセル１０ＬのトランジスタＴ１，Ｔ４をオンし、Ｔ２，Ｔ３をオフする。これにより、電圧Ｖｏは“Ｖｄｃ”となる。 As shown in FIG. 4, during the period t1, the transistors T1 and T4 of the upper bridge cell 10H are turned on and T2 and T3 are turned off, and the transistors T1 and T4 of the lower bridge cell 10L are turned on and T2 and T3 are turned on. Turn off. As a result, the voltage Vo becomes "Vdc".
期間ｔ２において、上側ブリッジセル１０ＨのトランジスタＴ１，Ｔ４をオンし、Ｔ２，Ｔ４をオフするとともに、下側ブリッジセル１０ＬのトランジスタＴ１，Ｔ２をオンし、Ｔ４，Ｔ３をオフする。これにより、電圧Ｖｏは“Ｖｄｃ／４”となる。 In the period t2, the transistors T1 and T4 of the upper bridge cell 10H are turned on and T2 and T4 are turned off, and the transistors T1 and T2 of the lower bridge cell 10L are turned on and T4 and T3 are turned off. As a result, the voltage Vo becomes "Vdc / 4".
期間ｔ３において、上側ブリッジセル１０ＨのトランジスタＴ１，Ｔ２をオンし、Ｔ３，Ｔ４をオフするとともに、下側ブリッジセル１０ＬのトランジスタＴ１，Ｔ２をオンし、Ｔ３，Ｔ４をオフする。これにより、電圧Ｖｏは“０”となる。 In the period t3, the transistors T1 and T2 of the upper bridge cell 10H are turned on and T3 and T4 are turned off, and the transistors T1 and T2 of the lower bridge cell 10L are turned on and T3 and T4 are turned off. As a result, the voltage Vo becomes “0”.
期間ｔ４において、上側ブリッジセル１０ＨのトランジスタＴ２，Ｔ３をオンし、Ｔ１，Ｔ４をオフするとともに、下側ブリッジセル１０ＬのトランジスタＴ１，Ｔ２をオンし、Ｔ３，Ｔ４をオフする。これにより、電圧Ｖｏは“−Ｖｄｃ／４”となる。 In the period t4, the transistors T2 and T3 of the upper bridge cell 10H are turned on and T1 and T4 are turned off, and the transistors T1 and T2 of the lower bridge cell 10L are turned on and T3 and T4 are turned off. As a result, the voltage Vo becomes "-Vdc / 4".
期間ｔ５において、上側ブリッジセル１０ＨのトランジスタＴ２，Ｔ３をオンし、Ｔ１，Ｔ４をオフするとともに、下側ブリッジセル１０ＬのトランジスタＴ２，Ｔ３をオンし、Ｔ１，Ｔ４をオフする。これにより、電圧Ｖｏは“−Ｖｄｃ”となる。 In the period t5, the transistors T2 and T3 of the upper bridge cell 10H are turned on and T1 and T4 are turned off, and the transistors T2 and T3 of the lower bridge cell 10L are turned on and T1 and T4 are turned off. As a result, the voltage Vo becomes "-Vdc".
図４に示すように、上側ブリッジセル１０Ｈおよび下側ブリッジセル１０Ｌの３つのスイッチングパターンを組み合わせることにより、２つの上側ブリッジセル１０Ｈおよび下側ブリッジセル１０Ｌによって、“５”種類（レベル）の電圧Ｖｏを生成することができる。 As shown in FIG. 4, by combining the three switching patterns of the upper bridge cell 10H and the lower bridge cell 10L, the two upper bridge cells 10H and the lower bridge cell 10L have "5" types (levels) of voltage. Vo can be generated.
ブリッジセルがｎ個の場合も同様の原理でマルチレベルの電圧Ｖｏを生成することができる。すなわち、変換部１がｎ個のブリッジセル１０で構成される場合、（２ｎ＋１）種類の電圧を生成することができる。 When there are n bridge cells, a multi-level voltage Vo can be generated by the same principle. That is, when the conversion unit 1 is composed of n bridge cells 10, (2n + 1) types of voltages can be generated.
変換部１ａ〜１ｃは、上述したマルチレベルの電圧Ｖｏを、入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して、対応する電線２０ａ〜２０ｃに供給する。その際、変換部１ａ〜１ｃの各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端には、所定の直流電圧が発生している。例えば、図４の場合、上側ブリッジセル１０ＨのコンデンサＣ（＝３ｃ／４）の両端には、“Ｖｄｃ／４”の直流電圧が発生し、下側ブリッジセル１０ＬのコンデンサＣ（＝ｃ／４）の両端には、“３Ｖｄｃ／４”の直流電圧が発生している。 The conversion units 1a to 1c supply the above-mentioned multi-level voltage Vo to the corresponding electric wires 20a to 20c via the input / output terminals P1 and P2. At that time, a predetermined DC voltage is generated across the capacitor C of each of the bridge cells 10 of the conversion units 1a to 1c. For example, in the case of FIG. 4, a DC voltage of “Vdc / 4” is generated at both ends of the capacitor C (= 3c / 4) of the upper bridge cell 10H, and the capacitor C (= c / 4) of the lower bridge cell 10L is generated. ), A DC voltage of "3Vdc / 4" is generated at both ends.
そこで、実施の形態１に係る電力変換装置１００では、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端に出力端子Ｐ３，Ｐ４をそれぞれ設けることにより、出力端子Ｐ３，Ｐ４から直流電圧を取り出すことが可能となる。 Therefore, in the power conversion device 100 according to the first embodiment, by providing output terminals P3 and P4 at both ends of the capacitor C of each bridge cell 10, it is possible to take out a DC voltage from the output terminals P3 and P4. ..
ここで、図４に示すように、一つの変換部１ａ〜１ｃ内の各ブリッジセル１０のコンデンサＣの静電容量は互いに相違していてもよい。これによれば、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端（出力端子Ｐ３，Ｐ４間）に発生する直流電圧を互いに相違させることができ、一つの変換部１ａ〜１ｃにおいて、複数の直流電圧を生成することが可能となる。 Here, as shown in FIG. 4, the capacitances of the capacitors C of the bridge cells 10 in one conversion unit 1a to 1c may be different from each other. According to this, the DC voltages generated at both ends of the capacitor C of each bridge cell 10 (between the output terminals P3 and P4) can be made different from each other, and a plurality of DC voltages are generated in one conversion unit 1a to 1c. It becomes possible to do.
例えば、３つのブリッジセル１０を有する変換部１ａによって１２Ｖ、４８Ｖ、７２Ｖの直流電圧を生成する場合、１２Ｖを発生させるブリッジセル１０のコンデンサＣ１を“ｃ”とし、４８Ｖを発生させるブリッジセル１０のコンデンサＣ２を“４ｃ”とし、７２Ｖを発生させるブリッジセル１０のコンデンサＣ３を“６ｃ”とすればよい。 For example, when the conversion unit 1a having three bridge cells 10 generates DC voltages of 12V, 48V, and 72V, the capacitor C1 of the bridge cell 10 that generates 12V is set to "c", and the bridge cell 10 that generates 48V. The capacitor C2 may be "4c", and the capacitor C3 of the bridge cell 10 that generates 72V may be "6c".
このように、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの静電容量を適切に設定することにより、所望の直流電圧を得ることができる。
その一方で、電線２０ａ〜２０ｃ側の三相交流電力への悪影響を防止するため、各変換部１ａ〜１ｃの入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して出力される電圧Ｖｏは互いに等しい必要がある。この点について、図５を用いて詳細に説明する。
In this way, a desired DC voltage can be obtained by appropriately setting the capacitance of the capacitor C of each bridge cell 10.
On the other hand, in order to prevent adverse effects on the three-phase AC power on the electric wires 20a to 20c side, the voltages Vo output via the input / output terminals P1 and P2 of the conversion units 1a to 1c need to be equal to each other. This point will be described in detail with reference to FIG.
図５は、変換部１ａ〜１ｃの等価回路を示す図である。
同図に示すように、各変換部１ａ〜１ｃは、複数のコンデンサとコイルＬが直列に接続された回路とみなすことができる。
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of the conversion units 1a to 1c.
As shown in the figure, each of the conversion units 1a to 1c can be regarded as a circuit in which a plurality of capacitors and coils L are connected in series.
上述したように、各変換部１ａ〜１ｃの出力電圧、すなわち端子ａと端子Ｎとの間の電圧Ｖａｎと、端子ｂと端子Ｎとの間の電圧Ｖｂｎと、端子ｃと端子Ｎとの間の電圧Ｖｃｎとは、互いに等しい必要がある。そのため、各変換部１ａ〜１ｃにおけるブリッジセル１０のコンデンサは、下記式（１）を満たす必要がある。 As described above, the output voltage of each of the conversion units 1a to 1c, that is, the voltage Van between the terminal a and the terminal N, the voltage Vbn between the terminal b and the terminal N, and between the terminal c and the terminal N. Voltage Vcn must be equal to each other. Therefore, the capacitor of the bridge cell 10 in each of the conversion units 1a to 1c needs to satisfy the following equation (1).
これにより、変換部１ａ〜１ｃは、電線２０ａ〜２０ｃ側の三相交流電力への悪影響を抑えつつ、種々の直流電圧を生成することが可能となる。 As a result, the conversion units 1a to 1c can generate various DC voltages while suppressing an adverse effect on the three-phase AC power on the electric wires 20a to 20c side.
実際には、各ブリッジセル１０のコンデンサＣは通電時に充放電が発生し、コンデンサＣをそのまま放置すれば、コンデンサ電圧の不均一が拡大して電圧Ｖｏの波形に歪みが生じる。そこで、各ブリッジセル１０のコンデンサ電圧を一定且つ均一に保持するためのバランス制御が必要となる。具体的には、各相の変換部１ａ〜１ｃ間で、コンデンサＣのコンデンサ電圧の算術平均がバランスするように電力の授受を発生させる。 Actually, the capacitor C of each bridge cell 10 is charged and discharged when energized, and if the capacitor C is left as it is, the non-uniformity of the capacitor voltage expands and the waveform of the voltage Vo is distorted. Therefore, balance control is required to keep the capacitor voltage of each bridge cell 10 constant and uniform. Specifically, power transfer is generated between the conversion units 1a to 1c of each phase so that the arithmetic mean of the capacitor voltage of the capacitor C is balanced.
例えば、変換部１ａ〜１ｃがスター結線されている場合、各変換部１ａ〜１ｃの電圧指令値に零相電圧ｖ０を重畳させることによって各変換部１ａ〜１ｃ間のバランスを保つ。通常、各変換部１ａ〜１ｃの交流電圧および交流電流は、直交関係を保っているため、変換部１ａ〜１ｃ間で有効電力が発生しない。この状態において、各変換部１ａ〜１ｃの電圧指令値に零相電圧ｖ０を重畳させた場合、交流電圧と交流電流の位相関係が変化し、変換部１ａ〜１ｃ間で有効電力の授受が生じる。これを利用して、各相の変換部１ａ〜１ｃ間で、コンデンサＣのコンデンサ電圧の算術平均をバランスさせることが可能となる。 For example, when the conversion units 1a to 1c are star-connected, the balance between the conversion units 1a to 1c is maintained by superimposing the zero-phase voltage v0 on the voltage command value of each conversion unit 1a to 1c. Normally, since the AC voltage and AC current of the conversion units 1a to 1c maintain an orthogonal relationship, no active power is generated between the conversion units 1a to 1c. In this state, when the zero-phase voltage v0 is superimposed on the voltage command values of the conversion units 1a to 1c, the phase relationship between the AC voltage and the AC current changes, and active power is exchanged between the conversion units 1a to 1c. .. Utilizing this, it is possible to balance the arithmetic mean of the capacitor voltage of the capacitor C between the conversion units 1a to 1c of each phase.
以上、実施の形態１に係る電力変換装置１００は、複数のブリッジセル１０を含む単一形マルチレベル変換回路を構成し、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端にはそれぞれ出力端子Ｐ３，Ｐ４が設けられている。
これによれば、各ブリッジセル１０を構成するスイッチとしてのトランジスタＴ１〜Ｔ４を適切にスイッチングすることにより、変換部１は、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）として動作するとともに、入力された交流電圧に基づいて各ブリッジセル１０のコンデンサＣを充電して、コンデンサＣの両端の直流電圧を出力端子Ｐ３，Ｐ４から出力するＡＣ／ＤＣコンバータとしても動作することができる。
As described above, the power conversion device 100 according to the first embodiment constitutes a single-type multi-level conversion circuit including a plurality of bridge cells 10, and output terminals P3 and P4 are provided at both ends of the capacitor C of each bridge cell 10, respectively. It is provided.
According to this, by appropriately switching the transistors T1 to T4 as switches constituting each bridge cell 10, the conversion unit 1 operates as a reactive power compensation device (STATCOM) and receives an input AC voltage. Based on this, the capacitor C of each bridge cell 10 can be charged to operate as an AC / DC converter that outputs the DC voltage across the capacitor C from the output terminals P3 and P4.
実施の形態１に係る電力変換装置１００において、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの静電容量を相違させることにより、各コンデンサＣに発生する電圧を相違させることができる。これにより、電力変換装置１００は、一つの交流電圧から複数の異なる直流電圧を生成することができる。 In the power conversion device 100 according to the first embodiment, the voltage generated in each capacitor C can be made different by making the capacitance of the capacitor C of each bridge cell 10 different. As a result, the power converter 100 can generate a plurality of different DC voltages from one AC voltage.
このように、実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、従来の電力供給システムのように、複数のＡＣ／ＤＣ変換回路やＤＣ／ＤＣコンバータを用いるのではなく、一つの交流電力から複数の直流電圧を生成することが可能となるので、従来の電力供給システムに比べて、電力の変換効率の低下を抑制することが可能になるとともに、システムの規模の増大を抑制することが可能となる。 As described above, according to the power conversion device 100 according to the first embodiment, unlike the conventional power supply system, a plurality of AC / DC conversion circuits and DC / DC converters are not used, but from one AC power. Since it is possible to generate a plurality of DC voltages, it is possible to suppress a decrease in power conversion efficiency and an increase in the scale of the system as compared with a conventional power supply system. It becomes.
したがって、実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、より小型で高効率な電力変換システムを実現することが可能となる。また、電力変換装置１００は、単一形マルチレベル変換回路を構成する各ブリッジセル１０によって複数の直流電圧を生成しているので、従来の電力供給システムに比べて高調波の発生が抑えられる。これにより、電力変換装置１００から発生するノイズを抑えることができ、ノイズによる他の外部機器の誤動作を防止することが可能となる。 Therefore, according to the power conversion device 100 according to the first embodiment, it is possible to realize a smaller and more efficient power conversion system. Further, since the power conversion device 100 generates a plurality of DC voltages by each bridge cell 10 constituting the single type multi-level conversion circuit, the generation of harmonics is suppressed as compared with the conventional power supply system. As a result, noise generated from the power conversion device 100 can be suppressed, and malfunction of other external devices due to noise can be prevented.
≪実施の形態２≫
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図である。
実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａは、ブリッジセルがハーフブリッジ回路である点において実施の形態１に係る電力変換装置と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様である。
<< Embodiment 2 >>
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to a second embodiment of the present invention.
The power conversion device 100A according to the second embodiment is different from the power conversion device according to the first embodiment in that the bridge cell is a half-bridge circuit, and in other respects, the power conversion device according to the first embodiment. It is the same as 100.
図６に示すように、電力変換装置１００Ａにおける各変換部１Ａａ〜１Ａｃを構成するブリッジセル１０Ａ＿１〜１０Ａ＿ｎのインバータ回路１１Ａは、ハーフブリッジ回路を構成するトランジスタＴ１，Ｔ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含んでいる。 As shown in FIG. 6, the inverter circuit 11A of the bridge cells 10A_1 to 10A_n constituting each of the conversion units 1Aa to 1Ac in the power conversion device 100A comprises transistors T1 and T2 constituting a half bridge circuit and diodes D1 and D2. Includes.
トランジスタＴ１とトランジスタＴ２は、出力端子Ｐ３，Ｐ４間に直列に接続されている。すなわち、トランジスタＴ１の第１主電極としてのエミッタ電極は、入出力端子Ｐ１およびダイオードＤ１のアノード電極と接続されている。トランジスタＴ１の第２主電極としてのコレクタ電極は、出力端子Ｐ３およびダイオードＤ１のカソード電極と接続されている。トランジスタＴ２の第１主電極としてのエミッタ電極は、入出力端子Ｐ２、出力端子Ｐ４およびダイオードＤ２のアノード電極と接続されている。トランジスタＴ２の第２主電極としてのコレクタ電極は、入出力端子Ｐ１およびダイオードＤ２のカソード電極と接続されている。 The transistor T1 and the transistor T2 are connected in series between the output terminals P3 and P4. That is, the emitter electrode as the first main electrode of the transistor T1 is connected to the input / output terminal P1 and the anode electrode of the diode D1. The collector electrode as the second main electrode of the transistor T1 is connected to the output terminal P3 and the cathode electrode of the diode D1. The emitter electrode as the first main electrode of the transistor T2 is connected to the input / output terminal P2, the output terminal P4, and the anode electrode of the diode D2. The collector electrode as the second main electrode of the transistor T2 is connected to the input / output terminal P1 and the cathode electrode of the diode D2.
各ブリッジセル１０Ａ＿１〜１０Ａ＿ｎのトランジスタＴ１，Ｔ２は、実施の形態１に係るブリッジセル１０と同様に、制御部２からの制御信号Ｓａ〜Ｓｃによってオン／オフが制御される。 The transistors T1 and T2 of the bridge cells 10A_1 to 10A_n are turned on / off by the control signals Sa to Sc from the control unit 2 as in the bridge cell 10 according to the first embodiment.
図７Ａおよび図７Ｂは、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａにおけるブリッジセル１０Ａの動作を説明するための図である。図８は、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａにおけるブリッジセル１０Ａの入出力端子Ｐ１，Ｐ２間から出力される電圧を示すタイミングチャートである。 7A and 7B are diagrams for explaining the operation of the bridge cell 10A in the power conversion device 100A according to the second embodiment. FIG. 8 is a timing chart showing the voltage output from between the input / output terminals P1 and P2 of the bridge cell 10A in the power conversion device 100A according to the second embodiment.
ブリッジセル１０Ａは、トランジスタＴ１，Ｔ２のスイッチングパターンを切り替えることにより、電線２０ａ〜２０ｃから入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して入力された交流電力によってコンデンサＣを充電するとともに、コンデンサＣの電圧Ｖｃを入出力端子Ｐ１，Ｐ２から電線２０ａ〜２０ｃに出力する。 By switching the switching pattern of the transistors T1 and T2, the bridge cell 10A charges the capacitor C with the AC power input from the electric wires 20a to 20c via the input / output terminals P1 and P2, and also charges the voltage Vc of the capacitor C. Output is output from the input / output terminals P1 and P2 to the electric wires 20a to 20c.
ブリッジセル１０ＡのトランジスタＴ１，Ｔ２のスイッチングパターンとしては、図７Ａおよび図７Ｂに示す２パターンがある。 There are two patterns shown in FIGS. 7A and 7B as switching patterns of the transistors T1 and T2 of the bridge cell 10A.
すなわち、図７Ａに示す第１スイッチングパターンは、トランジスタＴ１がオンし、トランジスタＴ２がオフした状態である。この場合、入出力端子Ｐ１がコンデンサＣの一端に接続され、入出力端子Ｐ２がコンデンサＣの他端に接続される。これにより、図８に示すように、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧Ｖｏは“＋Ｖｃ”となる。 That is, the first switching pattern shown in FIG. 7A is a state in which the transistor T1 is turned on and the transistor T2 is turned off. In this case, the input / output terminal P1 is connected to one end of the capacitor C, and the input / output terminal P2 is connected to the other end of the capacitor C. As a result, as shown in FIG. 8, the voltage Vo between the input / output terminals P1 and P2 becomes “+ Vc”.
図７Ｂに示す第２スイッチングパターンは、トランジスタＴ１がオフし、トランジスタＴ２がオンした状態である。この場合、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間が短絡する。これにより、図８に示すように、入出力端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧Ｖｏは“０”となる。 The second switching pattern shown in FIG. 7B is a state in which the transistor T1 is turned off and the transistor T2 is turned on. In this case, the input / output terminals P1 and P2 are short-circuited. As a result, as shown in FIG. 8, the voltage Vo between the input / output terminals P1 and P2 becomes “0”.
電力変換装置１００Ａは、制御信号Ｓａ〜Ｓｃによって各変換部１Ａａ〜１ＡｃのトランジスタＴ１，Ｔ２のスイッチングパターンを切り替えることにより、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様の原理によってマルチレベルの電圧Ｖｏを生成する。生成されたマルチレベルの電圧Ｖｏは、入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して電線２０ａ〜２０ｃ側に出力される。このとき、各ブリッジセル１０ＡのコンデンサＣの両端の直流電圧は、出力端子Ｐ３，Ｐ４から出力される。 The power conversion device 100A switches the switching patterns of the transistors T1 and T2 of the conversion units 1Aa to 1Ac by the control signals Sa to Sc, and thereby, the multi-level voltage is based on the same principle as the power conversion device 100 according to the first embodiment. Generate Vo. The generated multi-level voltage Vo is output to the electric wires 20a to 20c side via the input / output terminals P1 and P2. At this time, the DC voltage across the capacitor C of each bridge cell 10A is output from the output terminals P3 and P4.
ここで、一つの変換部１Ａａ〜１Ａｃ内の各ブリッジセル１０ＡのコンデンサＣの静電容量を互いに相違させることにより、一つの変換部１Ａａ〜１Ａｃにおいて、複数の直流電圧を生成することが可能となる。 Here, by making the capacitances of the capacitors C of the bridge cells 10A in one conversion unit 1Aa to 1Ac different from each other, it is possible to generate a plurality of DC voltages in one conversion unit 1Aa to 1Ac. Become.
以上、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａによれば、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様に、一つの交流電力から複数の直流電圧を生成することが可能となるので、従来の電力供給システムに比べて、電力の変換効率の低下を抑制し、且つシステムの規模の増大を抑制することが可能となる。 As described above, according to the power conversion device 100A according to the second embodiment, it is possible to generate a plurality of DC voltages from one AC power as in the power conversion device 100 according to the first embodiment. Compared with the power supply system of the above, it is possible to suppress a decrease in power conversion efficiency and suppress an increase in the scale of the system.
≪実施の形態３≫
図９は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。
実施の形態３に係る電力変換装置１００Ｂは、変換部１ａ〜１ｃがデルタ結線によって互いに接続されている点においての実施の形態１に係る電力変換装置と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様である。
<< Embodiment 3 >>
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to a third embodiment of the present invention.
The power conversion device 100B according to the third embodiment is different from the power conversion device according to the first embodiment in that the conversion units 1a to 1c are connected to each other by a delta connection, and is different from the power conversion device according to the first embodiment in other respects. This is the same as the power conversion device 100 according to the first embodiment.
図９に示すように、各変換部１ａ〜１ｃは、対応する電線２０ａ〜２０ｃにそれぞれ接続可能にされ、互いにデルタ結線されている。具体的に、変換部１ａの一端は、ａ相の交流電圧が供給される電線２０ａに接続され、変換部１ａの他端は、ｂ相の交流電圧が供給される電線２０ｂに接続されている。また、変換部１ｂの一端は、ｂ相の交流電圧が供給される電線２０ｂに接続され、変換部１ｂの他端は、ｃ相の交流電圧が供給される電線２０ｃに接続されている。また、変換部１ｃの一端は、ｃ相の交流電圧が供給される電線２０ｃに接続され、変換部１ｃの他端は、ａ相の交流電圧が供給される電線２０ａに接続されている。 As shown in FIG. 9, the conversion units 1a to 1c are made connectable to the corresponding electric wires 20a to 20c, and are delta-connected to each other. Specifically, one end of the conversion unit 1a is connected to the electric wire 20a to which the a-phase AC voltage is supplied, and the other end of the conversion unit 1a is connected to the electric wire 20b to which the b-phase AC voltage is supplied. .. Further, one end of the conversion unit 1b is connected to the electric wire 20b to which the b-phase AC voltage is supplied, and the other end of the conversion unit 1b is connected to the electric wire 20c to which the c-phase AC voltage is supplied. Further, one end of the conversion unit 1c is connected to the electric wire 20c to which the c-phase AC voltage is supplied, and the other end of the conversion unit 1c is connected to the electric wire 20a to which the a-phase AC voltage is supplied.
電力変換装置１００Ｂは、３つの変換部（クラスタ）１ａ〜１ｃをデルタ形に結線した単一形マルチレベル変換回路、すなわち単一デルタＭＭＣを構成している。電力変換装置１００Ｂは、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様に、電線２０ａ〜２０ｃを伝搬する三相交流電力に対する無効電力補償回路として動作するとともに、各変換部１ａ〜１ｃのブリッジセル１０によって交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータとしても機能する。 The power conversion device 100B constitutes a single-type multi-level conversion circuit in which three conversion units (clusters) 1a to 1c are connected in a delta shape, that is, a single delta MMC. Similar to the power conversion device 100 according to the first embodiment, the power conversion device 100B operates as an ineffective power compensation circuit for the three-phase AC power propagating through the electric wires 20a to 20c, and the bridge cells of the conversion units 1a to 1c. It also functions as an AC / DC converter that converts AC voltage into DC voltage by 10.
すなわち、電力変換装置１００Ｂは、制御信号Ｓａ〜Ｓｃによって各変換部１ａ〜１ｃにおける各ブリッジセル１０のトランジスタＴ１〜Ｔ４のスイッチングパターンを切り替えることにより、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様の原理によってマルチレベルの電圧Ｖｏを生成して、入出力端子Ｐ１，Ｐ２を介して電線２０ａ〜２０ｃ側に出力するとともに、各ブリッジセル１０のコンデンサＣの両端の直流電圧を出力端子Ｐ３，Ｐ４から出力する。 That is, the power conversion device 100B is the same as the power conversion device 100 according to the first embodiment by switching the switching pattern of the transistors T1 to T4 of the bridge cells 10 in the conversion units 1a to 1c by the control signals Sa to Sc. A multi-level voltage Vo is generated according to the principle of, and is output to the electric wires 20a to 20c side via the input / output terminals P1 and P2, and the DC voltage across the capacitor C of each bridge cell 10 is output to the output terminals P3 and P4. Output from.
以上、実施の形態３に係る電力変換装置１００Ｂによれば、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様に、一つの交流電力から複数の直流電圧を生成することが可能となるので、従来の電力供給システムに比べて、電力の変換効率の低下を抑制し、且つシステムの規模の増大を抑制することが可能となる。 As described above, according to the power conversion device 100B according to the third embodiment, it is possible to generate a plurality of DC voltages from one AC power as in the power conversion device 100 according to the first embodiment. Compared with the power supply system of the above, it is possible to suppress a decrease in power conversion efficiency and suppress an increase in the scale of the system.
≪実施の形態４≫
図１０は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す図である。
実施の形態４に係る電力変換装置１００Ｃは、一つの負荷に対して複数のブリッジセルから直流電圧の供給が可能になっている点において、実施の形態１に係る電力変換装置と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様である。
<< Embodiment 4 >>
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to a fourth embodiment of the present invention.
The power conversion device 100C according to the fourth embodiment is different from the power conversion device according to the first embodiment in that DC voltage can be supplied from a plurality of bridge cells to one load. In this respect, it is the same as the power conversion device 100 according to the first embodiment.
図１０に示すように、電力変換装置１００Ｃは、上述した各相に対応する変換部１ａ〜１ｃに加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４を備えている。具体的に、電力変換装置１０Ｃは、所定の負荷３Ｃに対して、一つのブリッジセル１０からの電力供給と、他のブリッジセル１０からのＤＣ／ＤＣコンバータ４を介した電力供給とが可能となっている。 As shown in FIG. 10, the power conversion device 100C includes a DC / DC converter 4 in addition to the conversion units 1a to 1c corresponding to the above-mentioned phases. Specifically, the power conversion device 10C can supply power from one bridge cell 10 and power from another bridge cell 10 via a DC / DC converter 4 to a predetermined load 3C. It has become.
より具体的には、電力変換装置１０Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４と出力切替用スイッチＳＷを有している。 More specifically, the power conversion device 10C has a DC / DC converter 4 and an output switching switch SW.
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、複数のブリッジセル１０のうちの一つのブリッジセルの出力端子Ｐ３と出力端子Ｐ４との間に、上記一つのブリッジセルと異なる他のブリッジセルの出力端子Ｐ３と出力端子Ｐ４の間の電圧に基づいて生成した直流電圧を供給する。 The DC / DC converter 4 has an output terminal P3 and an output terminal of another bridge cell different from the above one bridge cell between the output terminal P3 and the output terminal P4 of one of the plurality of bridge cells 10. A DC voltage generated based on the voltage between P4 is supplied.
本実施の形態では、上記一つのブリッジセル１０を“変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎ”とし、上記他のブリッジセル１０を“変換部１ａのブリッジセル１０＿ｎ”とした場合を例にとり、説明する。なお、上記一つのブリッジセル１０および上記他のブリッジセル１０は、上記の例に限定されず、電力変換装置１０Ｃを構成する何れか二つのブリッジセル１０であればよい。 In the present embodiment, the case where the one bridge cell 10 is referred to as “bridge cell 10_n of conversion unit 1b” and the other bridge cell 10 is referred to as “bridge cell 10_n of conversion unit 1a” will be described as an example. The one bridge cell 10 and the other bridge cell 10 are not limited to the above examples, and may be any two bridge cells 10 constituting the power conversion device 10C.
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、例えば絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータである。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、フライバックコンバータを形成するための、トランスＴＲ、スイッチングトランジスタＴｓ、整流素子ＤＲ、および出力コンデンサＣｏｕｔを有している。 The DC / DC converter 4 is, for example, an isolated DC / DC converter. For example, the DC / DC converter 4 has a transformer TR, a switching transistor Ts, a rectifying element DR, and an output capacitor Cout for forming a flyback converter.
トランスＴＲは、一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２とを含む。
スイッチングトランジスタＴｓは、例えば、制御電極としてのゲート電極と、第１主電極としてのソース電極と、第２主電極としてのドレイン電極とを有する電界効果トランジスタである。スイッチングトランジスタＴｓは、制御部２Ｃからゲート電極に信号が入力されることにより、スイッチング動作を行う。
整流素子ＤＲは、一方向に電流を流す素子であり、例えばダイオードである。なお、整流素子ＤＲは、適切にオン・オフが制御される整流用トランジスタであってもよい。
The transformer TR includes a primary coil L1 and a secondary coil L2.
The switching transistor Ts is, for example, a field effect transistor having a gate electrode as a control electrode, a source electrode as a first main electrode, and a drain electrode as a second main electrode. The switching transistor Ts performs a switching operation by inputting a signal from the control unit 2C to the gate electrode.
The rectifying element DR is an element that allows a current to flow in one direction, and is, for example, a diode. The rectifying element DR may be a rectifying transistor whose on / off is appropriately controlled.
トランスＴＲの一次側コイルＬ１の一端は、変換部１ａのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３に接続されている。トランスＴＲの一次側コイルＬ１の他端は、スイッチングトランジスタＴｓのドレイン電極に接続されている。 One end of the primary coil L1 of the transformer TR is connected to the output terminal P3 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1a. The other end of the primary coil L1 of the transformer TR is connected to the drain electrode of the switching transistor Ts.
トランスＴＲの二次側コイルＬ２の一端は、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ４に接続されている。二次側コイルＬ２の他端は、整流素子ＤＲのアノード電極に接続されている。 One end of the secondary coil L2 of the transformer TR is connected to the output terminal P4 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b. The other end of the secondary coil L2 is connected to the anode electrode of the rectifying element DR.
整流素子ＤＲは、一端（アノード電極）が二次側コイルＬ２の他端に接続され、他端（カソード電極）が、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３に接続されている。具体的に、整流素子ＤＲのカソード電極は、出力切替スイッチＳＷを介して、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎに接続されている。 One end (anode electrode) of the rectifying element DR is connected to the other end of the secondary coil L2, and the other end (cathode electrode) is connected to the output terminal P3 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b. Specifically, the cathode electrode of the rectifying element DR is connected to the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b via the output changeover switch SW.
出力コンデンサＣｏｕｔは、整流素子ＤＲの他端（カソード電極）と二次側コイルＬ２の一端との間に接続されている。 The output capacitor Cout is connected between the other end (cathode electrode) of the rectifying element DR and one end of the secondary coil L2.
出力切替用スイッチＳＷは、所定の負荷３Ｃに対する、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎからの電力供給と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４を介した変換部１ａのブリッジセル１０＿ｎからの電力供給と切り替えるための機能部である。 The output switching switch SW has a function for switching between power supply from the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b and power supply from the bridge cell 10_n of the conversion unit 1a via the DC / DC converter 4 for a predetermined load 3C. It is a department.
例えば、出力切替用スイッチＳＷは、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３と整流素子ＤＲのカソードとの間に接続されている。なお、出力切替用スイッチＳＷは、ブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ４と二次側コイルＬ２の一端との間に接続されていてもよい。 For example, the output switching switch SW is connected between the output terminal P3 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b and the cathode of the rectifying element DR. The output switching switch SW may be connected between the output terminal P4 of the bridge cell 10_n and one end of the secondary coil L2.
実施の形態４に係る電力変換装置１００Ｃは、通常時、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎから負荷３Ｃに直流電圧を供給する。一方、何等かの原因で変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎが故障して負荷３Ｃに適切な直流電圧を供給することができなくなった場合、電力変換装置１００Ｃは、変換部１ａのブリッジセル１０＿ｎからＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して、負荷３Ｃに直流電圧を供給する。 The power conversion device 100C according to the fourth embodiment normally supplies a DC voltage from the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b to the load 3C. On the other hand, when the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b fails for some reason and cannot supply an appropriate DC voltage to the load 3C, the power conversion device 100C transfers the DC from the bridge cell 10_n of the conversion unit 1a to DC. A DC voltage is supplied to the load 3C via the / DC converter 4.
例えば、制御部２Ｃは、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３，Ｐ４間の電圧を監視し、当該ブリッジセル１０＿ｎが適正な直流電圧を出力しているか否かを判定するとともに、判定結果に基づいて、負荷３Ｃへの電力供給源を切り替える。 For example, the control unit 2C monitors the voltage between the output terminals P3 and P4 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b, determines whether or not the bridge cell 10_n outputs an appropriate DC voltage, and determines the determination result. The power supply source to the load 3C is switched based on.
すなわち、制御部２Ｃは、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３と出力端子Ｐ４との間の電圧Ｖｏｘが所定の範囲内にある場合には、出力切替スイッチＳＷをオンし、スイッチングトランジスタＴｓをオフする。これにより、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎが正常に動作している場合には、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎによって負荷３Ｃへの電力供給が行われる。 That is, when the voltage Vox between the output terminal P3 and the output terminal P4 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b is within a predetermined range, the control unit 2C turns on the output changeover switch SW and switches the switching transistor Ts. Turn off. As a result, when the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b is operating normally, the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b supplies power to the load 3C.
一方、制御部２Ｃは、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３と出力端子Ｐ４との間の電圧Ｖｏｘが所定の範囲外にある場合には、出力切替スイッチＳＷをオフするとともに、スイッチングトランジスタＴｓのゲート電極に信号を供給して、スイッチングトランジスタＴｓをスイッチングする。具体的には、制御部２Ｃは、スイッチＳＷをオフした状態で、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの出力端子Ｐ３，Ｐ４間の電圧（負荷３Ｃの両端の電圧）が所望の値となるように、トランジスタＴｓを適切なデューティ比のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によってスイッチングする。
これにより、変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎが正常に動作していない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して、変換部１ａのブリッジセル１０＿ｎから負荷３Ｃへの電力供給が行われる。
On the other hand, when the voltage Vox between the output terminal P3 and the output terminal P4 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b is out of the predetermined range, the control unit 2C turns off the output changeover switch SW and turns off the switching transistor. A signal is supplied to the gate electrode of Ts to switch the switching transistor Ts. Specifically, in the control unit 2C, with the switch SW turned off, the voltage between the output terminals P3 and P4 of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b (the voltage across the load 3C) becomes a desired value. , Transistors Ts are switched by a PWM (Pulse Widh Modulation) signal with an appropriate duty ratio.
As a result, when the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b is not operating normally, power is supplied from the bridge cell 10_n of the conversion unit 1a to the load 3C via the DC / DC converter 4.
以上、実施の形態４に係る電力変換装置１００Ｃにおいて、一つのブリッジセル１０から直流電圧の供給を受けている負荷３Ｃに対して、少なくとも一つの別のブリッジセル１０がＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して接続されている。 As described above, in the power conversion device 100C according to the fourth embodiment, at least one other bridge cell 10 passes through the DC / DC converter 4 with respect to the load 3C that receives the DC voltage from one bridge cell 10. Is connected.
これによれば、通常時に負荷３Ｃに対して電力を供給している一つのブリッジセル１０が故障した場合であっても、他のブリッジセル１０からＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して、負荷３Ｃへの電力供給を継続することができるので、電力変換装置１００Ｃの信頼性を向上させることが可能となる。 According to this, even if one bridge cell 10 that normally supplies power to the load 3C fails, the other bridge cell 10 goes to the load 3C via the DC / DC converter 4. Since the power supply of the power converter 100C can be continued, the reliability of the power converter 100C can be improved.
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４を、トランスＴＲを用いた絶縁型のフライバックコンバータによって実現することにより、変換部１ａのブリッジセル１０と変換部１ｂのブリッジセル１０との間を電気的に絶縁することができるので、電力変換装置１００Ｃの信頼性を更に向上させることが可能となる。 Further, by realizing the DC / DC converter 4 by an isolated flyback converter using a transformer TR, the bridge cell 10 of the conversion unit 1a and the bridge cell 10 of the conversion unit 1b are electrically insulated from each other. Therefore, the reliability of the power converter 100C can be further improved.
また、実施の形態４に係る電力変換装置１００Ｃにおいて、制御部２Ｃが、通常時に電力供給を行っている変換部１ｂのブリッジセル１０＿ｎの電圧Ｖｏｘが所定の範囲内にあるか否かを判定し、その判定結果に基づいて、出力切替スイッチＳＷおよびＤＣ／ＤＣコンバータ４の制御を行う。
これによれば、負荷３Ｃに対するブリッジセル１０＿ｎの動作が正常であるか否かを適切に把握した上で、負荷３Ｃへの電力供給源を適切に切り替えることができるので、電力変換装置１００Ｃの信頼性を更に向上させることが可能となる。
Further, in the power conversion device 100C according to the fourth embodiment, the control unit 2C determines whether or not the voltage Vox of the bridge cell 10_n of the conversion unit 1b that normally supplies power is within a predetermined range. , The output changeover switch SW and the DC / DC converter 4 are controlled based on the determination result.
According to this, it is possible to appropriately switch the power supply source to the load 3C after appropriately grasping whether or not the operation of the bridge cell 10_n with respect to the load 3C is normal, and thus the reliability of the power converter 100C. It is possible to further improve the property.
≪実施の形態の拡張≫
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
≪Expansion of embodiment≫
The inventions made by the present inventors have been specifically described above based on the embodiments, but it goes without saying that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof. No.
例えば、上記実施の形態３において、デルタ結線された変換部１ａ〜１ｃを構成するインバータ回路１１がフルブリッジ回路である場合を例示したが、これに限られない。例えば、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａと同様に、インバータ回路１１は、ハーフブリッジ回路であってもよい。 For example, in the third embodiment, the case where the inverter circuit 11 constituting the delta-connected conversion units 1a to 1c is a full bridge circuit has been illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, the inverter circuit 11 may be a half-bridge circuit, as in the power conversion device 100A according to the second embodiment.
また、上記実施の形態４において、異なる変換部１ａ，１ｂのブリッジセル１０間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続する場合を例示したが、これに限られず、同一の変換部内のブリッジセル間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続してもよい。例えば、図１０において、変換部１ａのブリッジセル１０＿２に接続される負荷３に対して、変換部１ａのブリッジセル１０＿ｎを絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して接続してもよい。 Further, in the fourth embodiment, the case where the DC / DC converter is connected between the bridge cells 10 of the different conversion units 1a and 1b has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and the DC / DC converters are not limited to the bridge cells in the same conversion unit. A DC converter may be connected. For example, in FIG. 10, the bridge cell 10_n of the conversion unit 1a may be connected to the load 3 connected to the bridge cell 10_2 of the conversion unit 1a via an isolated DC / DC converter 4.
また、上記実施の形態４において、実施の形態１に係る電力変換装置１００にＤＣ／ＤＣコンバータ４を含む冗長構成を採用する場合を例示したが、これに限られず、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａおよび実施の形態３に係る電力変換装置１００Ｂにも同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４を含む冗長構成を採用することが可能である。 Further, in the fourth embodiment, a case where a redundant configuration including a DC / DC converter 4 is adopted in the power conversion device 100 according to the first embodiment is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the electric power according to the second embodiment is not limited to this. Similarly, a redundant configuration including the DC / DC converter 4 can be adopted for the conversion device 100A and the power conversion device 100B according to the third embodiment.
また、上記実施の形態では、各変換部１ａ〜１ｃがそれぞれｎ個のブリッジセル１０＿１〜１０＿ｎを有する場合を例示したが、これに限られず、各変換部１ａ〜１ｃが有するブリッジセル１０の個数は異なっていてもよい。 Further, in the above embodiment, the case where each conversion unit 1a to 1c has n bridge cells 10_1 to 10_n is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the number of bridge cells 10 possessed by each conversion unit 1a to 1c is not limited to this. May be different.
１,１ａ〜１ｃ,１Ａａ〜１Ａｃ…変換部、２,２Ｃ…制御部、３,３Ｃ…負荷、４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５…交流電源、１０,１０＿１〜１０＿ｎ,１０Ａ,１０Ａ＿１〜１０Ａ＿ｎ,１０Ｃ,１０Ｈ,１０Ｌ…ブリッジセル、１１,１１Ａ…インバータ回路、２０ａ,２０ｂ,２０ｃ…電線、１００,１００Ａ〜１００Ｃ…電力変換装置、Ｃ…コンデンサ、Ｃｏｕｔ…出力コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＤＲ…整流素子、Ｌ…コイル、Ｌ１…一次側コイル、Ｌ２…二次側コイル、Ｐ１,Ｐ２…入出力端子、Ｐ３,Ｐ４…出力端子、Ｓａ〜Ｓｃ…制御信号、Ｔ１〜Ｔ４…トランジスタ。 1,1a to 1c, 1Aa to 1Ac ... Conversion unit, 2,2C ... Control unit, 3,3C ... Load, 4 ... DC / DC converter, 5 ... AC power supply, 10,10_1 to 10_n, 10A, 10A_1 to 10A_n, 10C, 10H, 10L ... Bridge cell, 11,11A ... Inverter circuit, 20a, 20b, 20c ... Electric wire, 100, 100A to 100C ... Power converter, C ... Capacitor, Cout ... Output capacitor, D1 to D4 ... Diode, DR ... Rectifying element, L ... Coil, L1 ... Primary side coil, L2 ... Secondary side coil, P1, P2 ... Input / output terminals, P3, P4 ... Output terminals, Sa to Sc ... Control signals, T1 to T4 ... Inverters.
Claims (7)
前記変換部は、
直列に接続された複数のブリッジセルを有し、
前記ブリッジセルは、
交流電圧を入出力するための第１入出力端子および第２入出力端子と、
コンデンサと、
前記制御部からの制御信号に応じて、前記第１入出力端子および前記第２入出力端子と前記コンデンサとの間の接続を切り替えるインバータ回路と、
前記コンデンサの一端に接続された第１出力端子と、
前記コンデンサの他端に接続された第２出力端子と、を含む
電力変換装置。 It is provided with a plurality of conversion units that are connected to the electric wires corresponding to each phase of the three-phase alternating current and are star-connected or delta-connected to each other, and a control unit that controls the conversion unit.
The conversion unit
Has multiple bridge cells connected in series
The bridge cell
The first input / output terminal and the second input / output terminal for inputting / outputting AC voltage,
With a capacitor
An inverter circuit that switches the connection between the first input / output terminal and the second input / output terminal and the capacitor in response to a control signal from the control unit.
The first output terminal connected to one end of the capacitor and
A power conversion device including a second output terminal connected to the other end of the capacitor.
各前記変換部における各前記ブリッジセルの前記コンデンサは、互いに異なる静電容量を有している
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 is
A power conversion device, wherein the capacitors of the bridge cells in each conversion unit have different capacitances from each other.
前記インバータ回路は、
第１主電極、第２主電極、および制御電極をそれぞれ有する第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ、および第４トランジスタと、を含み、
前記第１トランジスタの第１主電極と前記第３トランジスタの第２主電極とが前記第１入出力端子に接続され、
前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極とが前記第１出力端子に接続され、
前記第２トランジスタの第１主電極と前記第４トランジスタの第２主電極とが前記第２入出力端子に接続され、
前記第３トランジスタの第１主電極と前記第４トランジスタの第１主電極とが前記第２出力端子に接続され、
前記第１乃至第４トランジスタの各制御電極には、前記制御信号が入力される
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 1 or 2.
The inverter circuit
A first transistor, a second transistor, a third transistor, and a fourth transistor having a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, respectively, are included.
The first main electrode of the first transistor and the second main electrode of the third transistor are connected to the first input / output terminal.
The second main electrode of the first transistor and the second main electrode of the second transistor are connected to the first output terminal.
The first main electrode of the second transistor and the second main electrode of the fourth transistor are connected to the second input / output terminal.
The first main electrode of the third transistor and the first main electrode of the fourth transistor are connected to the second output terminal.
A power conversion device characterized in that the control signal is input to each of the control electrodes of the first to fourth transistors.
前記インバータ回路は、
第１主電極、第２主電極、および制御電極をそれぞれ有する第１トランジスタおよび第２トランジスタを含み、
前記第１トランジスタの前記第１主電極と前記第２トランジスタの前記第２主電極とが前記第１入出力端子に接続され、
前記第１トランジスタの前記第２主電極が前記第１出力端子に接続され、
前記第２トランジスタの前記第１主電極が前記第２入出力端子と前記第２出力端子に接続され、
前記第１および第２トランジスタの前記制御電極には、前記制御信号がそれぞれ入力される
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 1 or 2.
The inverter circuit
A first transistor and a second transistor having a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, respectively, are included.
The first main electrode of the first transistor and the second main electrode of the second transistor are connected to the first input / output terminal.
The second main electrode of the first transistor is connected to the first output terminal,
The first main electrode of the second transistor is connected to the second input / output terminal and the second output terminal.
A power conversion device characterized in that the control signals are input to the control electrodes of the first and second transistors, respectively.
前記複数のブリッジセルのうちの一つのブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子の間に、前記一つのブリッジセルと異なる他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子の間の電圧に基づいて生成した直流電圧を供給するＤＣ／ＤＣコンバータを更に有する
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 1 to 4.
Between the first output terminal and the second output terminal of one of the plurality of bridge cells, the first output terminal and the second output of another bridge cell different from the one bridge cell. A power conversion device further comprising a DC / DC converter that supplies a DC voltage generated based on the voltage between the terminals.
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
一端が前記他のブリッジセルの前記第１出力端子に接続された一次側コイルと、一端が前記一つのブリッジセルの前記第２出力端子と接続された二次側コイルとを有するトランスと、
前記他のブリッジセルの前記第２出力端子に接続された第１主電極と、前記一次側コイルの他端に接続された第２主電極と、前記制御部から信号が入力される制御電極とを有するスイッチングトランジスタと、
一端が前記二次側コイルの他端に接続され、他端が前記一つのブリッジセルの前記第１出力端子に接続され、前記一端から前記他端へ電流を流す整流素子と、
前記整流素子の他端と前記二次側コイルの一端との間に接続された出力コンデンサと、を含む
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 5,
The DC / DC converter
A transformer having a primary coil having one end connected to the first output terminal of the other bridge cell and a secondary coil having one end connected to the second output terminal of the one bridge cell.
A first main electrode connected to the second output terminal of the other bridge cell, a second main electrode connected to the other end of the primary coil, and a control electrode to which a signal is input from the control unit. With a switching transistor,
A rectifying element having one end connected to the other end of the secondary coil, the other end connected to the first output terminal of the one bridge cell, and a current flowing from the one end to the other end.
A power conversion device including an output capacitor connected between the other end of the rectifying element and one end of the secondary coil.
前記他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記整流素子の他端の間、または前記他のブリッジセルの前記第２出力端子と前記二次側コイルの一端に接続された出力切替スイッチを更に有し、
前記制御部は、前記他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子との間の電圧が所定の範囲内にある場合に、前記出力切替スイッチをオンし、前記他のブリッジセルの前記第１出力端子と前記第２出力端子との間の電圧が所定の範囲外にある場合に、前記出力切替スイッチをオフするとともに、前記スイッチングトランジスタの制御電極に信号を供給して、前記スイッチングトランジスタをスイッチングする
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 6,
An output changeover switch connected between the first output terminal of the other bridge cell and the other end of the rectifying element, or between the second output terminal of the other bridge cell and one end of the secondary coil is further provided. Have and
The control unit turns on the output changeover switch when the voltage between the first output terminal and the second output terminal of the other bridge cell is within a predetermined range, and the other bridge cell. When the voltage between the first output terminal and the second output terminal is out of the predetermined range, the output changeover switch is turned off and a signal is supplied to the control electrode of the switching transistor to supply the signal. A power converter characterized by switching switching transistors.
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| JPH077954A (en) * | 1993-06-17 | 1995-01-10 | Touritsu Tsushin Kogyo Kk | Power supply circuit |
| WO2016203517A1 (en) * | 2015-06-15 | 2016-12-22 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Power conversion device |
| JP2017189073A (en) * | 2016-04-08 | 2017-10-12 | 国立大学法人 名古屋工業大学 | Self-excited reactive power controller |
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