CN107404218B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力转换装置。电力转换装置包括多个外部端子、接地的接地端子、电力转换电路、基准导体和多个电感器。在多个外部端子分别连接电力转换电路的多个节点。电力转换电路对输入的电力进行开关来进行电力转换。多个电感器被分别插入到多个外部端子与多个节点之间。并且，其它电感器被插入到基准导体与接地端子之间。这样，能够提供即使在高的频率区域中也能够获得充分的噪声降低效果的电力转换装置。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及电力转换装置。

背景技术

为了将由太阳能发电系统等发电得到的直流电力转换为交流电力并与电力系统互连，使用电力转换装置(系统互连逆变器)。该电力转换装置包括对直流电压进行升压的升压转换器、将直流转换为交流的逆变器。在升压转换器以及逆变器等开关元件的开关时，共模电压(中性点电位)发生变动。

单相的逆变器具有由开关元件形成的H桥结构，例如被三电平PWM控制。因该控制，共模电压发生变动。共模电压的变动成为流向大地(接地)的漏电流、高频噪声的原因。通过在直流电源的一对输出端子与升压电路的一对输入端子之间插入共模扼流圈，来降低高频噪声(参照日本特开2011－147238号公报)。

在升压转换器以及逆变器的开关元件的开关时产生振铃(Ringing)。以往的共模扼流圈能够在开关频率程度低的频率区域中降低噪声。然而，根据本申请发明人的各种实验，判明了在振铃频率以及其高次谐波程度高的频率区域中，噪声降低效果较低。

发明内容

本发明的目的在于提供即使在高的频率区域中也能够获得充分的噪声降低效果的电力转换装置。

基于本发明的第一观点的电力转换装置具有：

多个外部端子；

接地的接地端子；

电力转换电路，包括分别与上述多个外部端子连接的多个节点，对输入的电力进行开关来进行电力转换；

基准导体；

多个电感器，被分别插入到上述多个外部端子与上述多个节点之间；以及

其它电感器，被插入到上述基准导体与上述接地端子之间。

不仅在外部端子，在接地端子也连接电感器，由此能够提高高频率区域中的噪声降低效果。

基于本发明的第二观点的电力转换装置在基于第一观点的电力转换装置的结构的基础上，还具有多个电容器，上述多个电容器的一方第一电极分别与上述多个节点连接，另一方第二电极与上述基准导体连接。

在多个节点中出现的共模噪声分别通过电容器流向基准导体。

在基于本发明的第三观点的电力转换装置中，在基于第一或者第二观点的电力转换装置的结构中，

被分别插入到上述多个外部端子与上述多个节点之间的上述多个电感器以及被插入到上述基准导体与上述接地端子之间的上述电感器相互电感耦合来构成三相以上的共模扼流圈。

通过使用共模扼流圈，能够提高噪声降低效果。

在基于本发明的第四观点的电力转换装置，在基于第一至第三观点的电力转换装置的结构中，

上述多个外部端子与直流电源连接，

上述电力转换电路将从上述多个节点输入的直流电力转换为交流电力并输出。

能够减少从电力转换装置朝向直流电力流出的共模噪声。

在基于本发明的第五观点的电力转换装置，在基于第一至第三观点的电力转换装置的结构中，

上述多个外部端子与电力系统连接，

上述电力转换电路将输入的直流电力转换为交流电力，并将转换后的交流电力从上述多个节点输出至上述电力系统。

能够减少从电力转换装置朝向电力系统流出的共模噪声。

不仅在外部端子，在接地端子也连接电感器，由此能够提高高频率区域中的噪声降低效果。

附图说明

本发明的上述以及其它目的、特征、方面以及优点根据与附图关联地理解的与本发明有关的接下来的详细说明将会更加明确。

图1是基于实施例1的电力转换装置的等效电路图。

图2A以及图2B是表示实验所使用的电力转换装置的外部端子、接地端子与电力转换电路的连接构成的等效电路图。

图3A是表示基于实施例1以及比较例的电力转换装置的噪声电平的测量结果的曲线图，图3B是基于比较例的电力转换装置的等效电路图。

图4是基于实施例2的电力转换装置的等效电路图。

图5A是表示基于实施例2的电力转换装置所使用的电感器的传输特性(transmission characteristic)S21的测量结果的曲线图，图5B是测量电感器的传输特性时的两端子对电路的等效电路图。

图6A是表示基于实施例2以及比较例的电力转换装置的噪声电平的测量结果的曲线图，图6B是基于比较例的电力转换装置的等效电路图。

图7是基于实施例3的电力转换装置的等效电路图。

图8是基于实施例4的电力转换装置的等效电路图。

图9是基于实施例5的电力转换装置的等效电路图。

具体实施方式

[实施例1]

参照图1、图2A以及图2B，对基于实施例1的电力转换装置进行说明。

图1表示基于实施例1的电力转换装置的等效电路图。基于实施例1的电力转换装置包括外部端子T1、T2、接地端子(Earth Terminal)TE、共模扼流圈18以及电力转换电路10。电力转换电路10包括升压转换器20以及逆变器30，将输入的直流电力转换为交流电力并输出。

外部端子T1以及T2分别通过正线51以及负线52与直流电源50的正极以及负极连接。接地端子TE通过接地线53与大地连接(接地)，被固定为与地表相同的电位。直流电源50例如使用太阳电池板、燃料电池等。外部端子T1以及T2分别经由共模扼流圈18与电力转换电路10的节点N1以及N2连接。

电容器11的一方电极(第一电极)与节点N1连接。电容器12的一方电极(第一电极)与节点N2连接。电容器11的另一方电极(第二电极)和电容器12的另一方电极(第二电极)相互连接。将电容器11的第二电极和电容器12的第二电极相互连接的点称为相互连接点P1。相互连接点P1与电力转换电路10的基准导体(Ground Conductor)连接。基准导体的电位成为电力转换电路的基准电位(Ground Potential)。一般而言，作为基准导体而使用金属制的框体等。如电容器11、12那样连接在信号线(电源线)与基准导体之间的电容器习惯上被称为Y电容器。在本说明书中，将连接在信号线(电源线)与基准导体之间的电容器称为Y电容器。

共模扼流圈18包括3个电感器15、16、17。共模扼流圈18的芯体例如能够使用铁氧体。电感器15被插入到外部端子T1与节点N1之间。电感器16被插入到外部端子T2与节点N2之间。电感器17被连接在相互连接点P1与接地端子TE之间。共模扼流圈18被连接成由从电力转换电路10朝向外部端子T1、T2以及接地端子TE的共模噪声电流产生的磁通相互增强。

升压转换器20包括电抗器21、续流二极管22以及开关元件23。二极管24与开关元件23并联连接。升压转换器20的输出被输入给逆变器30。在升压转换器20的输出侧的直流线上连接有平滑电容器40。

逆变器30例如包括H桥连接的4个开关元件31、32、33、34。开关元件31与32的相互连接点以及开关元件33与34的相互连接点成为分别输出单相交流电力的节点N3以及N4。

开关元件23、31、32、33、34例如使用功率半导体元件。功率半导体元件为了使因其动作而产生的热释放而一般与框体等基准导体接触，基准导体被用作散热器。因此，通过开关元件23、31、32、33、34与基准导体的电磁耦合，从而因开关动作而产生的噪声容易传递至基准导体。

接下来，参照图2A以及图2B，对成为在基于实施例1的电力转换装置中采用三相的共模扼流圈18的根据的实验进行说明。

图2A以及图2B表示实验所使用的电力转换装置的外部端子T1、T2、接地端子TE与电力转换电路10和直流电源50的连接结构。电力转换电路10的节点N1、N2分别与外部端子T1、T2直接连接。Y电容器11和12的相互连接点P1与接地端子TE直接连接。外部端子T1以及T2分别通过正线51以及负线52与直流电源50的正极以及负极连接。接地端子TE通过接地线53接地。

使电力转换装置实际进行动作，利用测量器55测量出从正线51、负线52以及接地线53产生的噪声的电平。

对如图2A所示那样利用探测器夹住正线51以及负线52这2条线而测量出的噪声电平和如图2B所示那样利用探测器夹住正线51、负线52以及接地线53这3条线而测量出的噪声电平进行比较。在100kHz左右的低频率区域中，利用图2B的方法所测量出的噪声电平比利用图2A的方法所测量出的噪声电平低，在1MHz以上的高频率区域中，两者没有出现大的差。

根据图2A以及图2B所示的实验的结果，获得以下的见解。

认为在100kHz左右的低频率区域中，在正线51以及负线52中流动的噪声电流与在接地线53中流动的噪声电流反相(差模)。与此相对，认为在1MHz以上的高频率区域中，在正线51以及负线52中流动的噪声电流与在接地线53中流动的噪声电流大致同相(共模)。因此，认为通过在正线51、负线52以及接地线53这3条线插入三相的共模扼流圈，能够在1MHz以上的高频率区域中，降低共模噪声。

接下来，参照图3A以及图3B，对基于实施例1的电力转换装置的优异的效果进行说明。对在基于实施例1以及比较例的电力转换装置的动作中从正线51、负线52以及接地线53产生的噪声的电平进行了测量。

图3B表示基于比较例的电力转换装置的等效电路图。在基于比较例的电力转换装置中，Y电容器11、12的相互连接点P1不经由共模扼流圈18而与接地端子TE直接连接。共模扼流圈18的3个电感器中的未被使用的电感器是开路状态。其它的结构与基于实施例1的电力转换装置的结构相同。

图3A示出基于实施例1(图1)以及比较例(图3B)的电力转换装置的噪声电平的测量结果。横轴的频率用单位“MHz”表示，纵轴的噪声电平用单位“dBμV”表示。图3A中的粗实线a1表示从基于实施例1的电力转换装置的外部端子T2向负线52流出的噪声的电平，细实线a2表示从基于比较例的电力转换装置的外部端子T2向负线52流出的噪声的电平。

明白在频率约为1.2MHz以及25MHz的附近，产生基于由开关所引起的振铃的噪声。通过采用实施例1的结构，与比较例的结构相比，1.2MHz以及25MHz处的噪声电平降低。特别是频率25MHz的附近的噪声电平的降低显著。该噪声电平的降低是在正线51、负线52以及接地线53插入了三相的共模扼流圈18所得的效果。

并且，在实施例1中，从电力转换电路10的节点N1、N2到接地点的阻抗变高。由此，能够减少向接地线53传导的漏电流。在插入到正线51的电感器15以及插入到负线52的电感器16中流动相互反向的直流电流。由该直流电流产生的磁通相互抵消，所以不易产生电感器15、16的磁心的饱和。

在图1所示的实施例中，并不一定必须配置Y电容器11、12。也可以省略Y电容器11、12。在省略了Y电容器11、12的情况下，电感器17将基准导体与接地端子TE连接。通过配置共模扼流圈18，能够获得抑制从开关元件23、31、32、33、34向基准导体传递的噪声以及在节点N1、N2出现的噪声向正线51、负线52以及接地线53流出的效果。

[实施例2]

接下来，参照图4～图6A、图6B的附图，对基于实施例2的电力转换装置进行说明。以下，对与实施例1的不同点进行说明，对于共同的结构，省略说明。

图4表示基于实施例2的电力转换装置的等效电路图。在实施例1中，电感器15、16、17构成三相的共模扼流圈18(图1)。在图4所示的实施例2中，电感器15、16、17由分别独立的线圈构成，不电感耦合。3个电感器15、16、17的电磁特性相同。

参照图5A以及图5B，对电感器15、16、17的各自的电特性进行说明。由电感器15构成图5B所示的两端子对电路，并测量了传输特性S21。

图5A表示传输特性S21的测量结果。横轴的频率用单位“MHz”表示，纵轴的传输特性S21用单位“dB”表示。S21越小，意味着插入损耗越大。在频率约20MHz处，插入损耗示出极大值。

接下来，参照图6A以及图6B，对基于实施例2的电力转换装置的优异的效果进行说明。对在基于实施例2以及比较例的电力转换装置的动作中从外部端子T2向负线52流出的噪声的电平进行了测量。

图6B表示基于比较例的电力转换装置的等效电路图。在基于比较例的电力转换装置中，Y电容器11、12的相互连接点P1不经由电感器而与接地端子TE直接连接。其它的结构与基于实施例2的电力转换装置(图4)的结构相同。

图6A表示基于实施例2以及比较例的电力转换装置的噪声电平的测量结果。横轴的频率用单位“MHz”表示，纵轴的噪声电平用单位“dBμV”表示。图6A中的粗实线b1表示从基于实施例2的电力转换装置的外部端子T2向负线52流出的噪声的电平，细实线b2表示从基于比较例的电力转换装置的外部端子T2向负线52流出的噪声的电平。

明白在频率20MHz的附近，基于实施例2的电力转换装置的噪声电平比基于比较例的电力转换装置的噪声电平低。噪声电平的降低是将在20MHz处插入损耗示出极大值的电感器17插入到接地线53所得的效果。

如实施例2那样，通过在接地线53插入电感器17(图4)，来获得噪声电平的降低效果。与实施例1的使用三相的共模扼流圈18(图1)的情况相比，能够使用通用性高的分别独立的电感器，所以能够实现成本减少。并且，电感器15、16、17(图4)的配置位置的自由度变高。

在实施例2中，与图1所示的实施例1同样地，也可以省略Y电容器11、12。在省略了Y电容器11、12的情况下，获取通过插入到基准导体与接地端子TE之间的电感器17来抑制在基准导体产生的噪声向接地线53流出的效果。

[实施例3]

接下来，参照图7，对基于实施例3的电力转换装置进行说明。以下，对与实施例1的不同点进行说明，对于共同的结构，省略说明。在实施例1中，在电力转换电路10的输入侧插入三相的共模扼流圈18，但在实施例3中，在电力转换电路10的输出侧插入三相的共模扼流圈18。此外，也可以在输入侧和输出侧这两方插入三相的共模扼流圈18。

图7表示基于实施例3的电力转换装置的等效电路图。在电力转换装置的输出侧的外部端子T3、T4连接电力系统70。接地端子TE接地。

在电力转换电路10的输出侧的节点N3、N4与逆变器30的输出节点之间配置有2个电感器62以及电容器61。2个电感器62分别被插入至逆变器30的2条输出线。电容器61将2条输出线彼此连接。将2条信号线(电源线)彼此连接的电容器习惯上被称为X电容器。X电容器61使差模噪声降低。

在节点N3与外部端子T3之间插入电感器15，在节点N4与外部端子T4之间插入电感器16。Y电容器63的一方电极(第一电极)与节点N3连接，Y电容器64的一方电极(第一电极)与节点N4连接。Y电容器63的另一方电极(第二电极)与Y电容器64的另一方电极(第二电极)连接。在Y电容器63与Y电容器64的相互连接点P2与接地端子TE之间连接有电感器17。通过电感器15、16、17构成三相的共模扼流圈18。并且，相互连接点P2与基准导体连接。

在实施例3中，也能够通过插入三相的共模扼流圈18，使从外部端子T3、T4向电力系统70流出的共模噪声的电平降低。此外，与图1所示的实施例1同样地，也可以省略Y电容器63、64。

[实施例4]

接下来，参照图8，对基于实施例4的电力转换装置进行说明。以下，对与实施例3(图7)的不同点进行说明，对于共同的结构，省略说明。

图8表示基于实施例4的电力转换装置的等效电路图。在实施例3中，构成由电感器15、16、17形成的三相的共模扼流圈18(图7)，但在实施例4中，电感器15、16、17这3个电感器相互独立。

在实施例4中，与图4所示的基于实施例2的电力转换装置同样地，能够抑制从外部端子T3、T4向电力系统70的共模噪声的流出。此外，与图7所示的实施例3同样地，也可以省略Y电容器63、64。

[实施例5]

接下来，参照图9，对基于实施例5的电力转换装置进行说明。以下，对与实施例3(图7)的不同点进行说明，对于共同的结构，省略说明。

图9表示基于实施例5的电力转换装置的等效电路图。在实施例3中，电力转换装置所连接的电力系统70是单相的，但在实施例5中，电力转换装置与三相的电力系统70连接。

实施例3的逆变器30(图7)具有两个开关元件对，但在实施例5中，逆变器30具有U相、V相、W相用的3个开关元件对以及3个输出侧节点NU、NV、NW。并且，与此对应地具有U相、V相、W相用的外部端子TU、TV、TW以及接地端子TE。在节点NU、NV、NW分别连接有Y电容器19U、19V、19W的一方电极(第一电极)。Y电容器19U、19V、19W的另一方电极(第二电极)相互连接。

在将节点NU、NV、NW分别与外部端子TU、TV、TW连接的3条电源线以及将Y电容器19U、19V、19W的第二电极的相互连接点P3与接地端子TE连接的接地线插入四相的共模扼流圈18。相互连接点P3与基准导体连接。

在实施例5中，也与图7所示的实施例3同样地，能够降低从外部端子TU、TV、TW向电力系统70流出的共模噪声的电平。此外，与图7所示的实施例3同样地，也可以省略Y电容器19U、19V、19W。

上述的各实施例是例示的，当然能够进行不同的实施例所示出的构成的局部置换或者组合。对于基于多个实施例的同样的结构的同样的作用效果，并不是按照每个实施例依次提及。并且，本发明并不局限于上述的实施例。例如，能够进行各种变更、改进、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

对本发明的实施方式进行了说明，但应该认为本次公开的实施方式在全部方面仅为例示，不起限制作用。本发明的范围由权利要求书示出，意图包括与权利要求书均等意思以及范围内的全部变更。

Claims (2)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具有：

两个外部端子，分别与直流电源的正极以及负极连接；

接地的接地端子；

电力转换电路，包括分别与所述两个外部端子连接的两个节点，对从所述两个节点输入的直流电力进行开关来转换成交流电力；

不直接接地的基准导体；

两个电感器，被分别插入到所述两个外部端子与所述两个节点之间；

其它电感器，被插入到所述基准导体与所述接地端子之间；以及

两个电容器，所述两个电容器的各自的第一电极分别与所述两个节点连接，各自的第二电极与所述基准导体连接。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

被分别插入到所述两个外部端子与所述两个节点之间的所述两个电感器以及被插入到所述基准导体与所述接地端子之间的所述其它电感器相互电感耦合来构成三相的共模扼流圈。

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