JP2006304382A - Power converter - Google Patents
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Abstract
【課題】チョークコイルの終端に補助コイルを巻いて、出力電流の高周波ノイズ成分を逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルする電力変換装置を提供する。
【解決手段】高周波トランス13と、直流電圧を高周波電力に変換する第1インバータ11と、高周波トランス13の2次側の整流手段14と、整流手段14の出力電流を制御する第2インバータ15と、チョークコイル17とを備え、チョークコイル17の終端に補助コイル16を巻いて、第2インバータ15の出力電流の高周波ノイズ成分を、逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルすることにより、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するとともに、出力電流歪を小さく抑えることができる。
【選択図】図1Provided is a power converter that winds an auxiliary coil at the end of a choke coil and selectively cancels a high-frequency noise component of an output current with a magnetic flux generated from an antiphase current.
A high-frequency transformer, a first inverter that converts a DC voltage into high-frequency power, a rectifier on a secondary side of the high-frequency transformer, and a second inverter that controls an output current of the rectifier. , The auxiliary coil 16 is wound around the end of the choke coil 17, and the high frequency noise component of the output current of the second inverter 15 is selectively canceled by the magnetic flux generated from the antiphase current, The high frequency noise component of the output current can be removed and the output current distortion can be reduced.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池、太陽電池などの直流電力を商用電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device that converts direct current power, such as a fuel cell or a solar cell, into commercial power and injects power into a system.
従来の電力変換装置としては、例えば高周波トランスの1次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、2次側に整流手段とスイッチング素子を配置して、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置があった(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional power converter, for example, a resonant capacitor and a switching element are arranged on the primary side of a high-frequency transformer, and a rectifier and a switching element are arranged on the secondary side to convert DC power into AC power. (For example, see Patent Document 1).
図4は、この特許文献1に記載された従来の電力変換装置の構成を示すもので、第1インバータ1が直流電源2の電力を高周波電力に変換する。この第1インバータ1は、高周波トランス3の1次側に接続されており、共振コンデンサ4とスイッチング素子5からなる。
FIG. 4 shows a configuration of a conventional power converter described in Patent Document 1, and the first inverter 1 converts the power of the
そして、前記スイッチング素子5の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、第1インバータ1が商用2倍周期で正弦波変調を行う。さらに、高周波トランス3の2次側ではダイオードQ1〜Q4からなる整流手段6とコンデンサ7で高周波成分を整流し、第2インバータ8で極性切換を行うことにより、概ね力率1の正弦波電流を生成し、系統9に供給するものであった。
しかしながら、前記従来の構成では、第2インバータの出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタとして、インダクタンスLおよびコンデンサCの定数が大きくなり、その結果無効電力成分が大きくなって、力率が低下し、出力電流波形が歪むという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, as a filter for removing the high frequency noise component of the output current of the second inverter, the constants of the inductance L and the capacitor C are increased, and as a result, the reactive power component is increased and the power factor is increased. It has a problem that the output current waveform is distorted.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスLおよびコンデンサCの定数小さくし、無効電力成分を極力小さくして、出力電流歪を小さくすることを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and reduces the constants of the inductance L and the capacitor C, which are filters for removing the high-frequency noise component of the output current, and the reactive power component as much as possible, thereby reducing the output current distortion. The purpose is to make it smaller.
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、チョークコイルの終端に補助コイルを巻くことにより、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスLおよびコンデンサCの定数小さくするものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the power conversion device of the present invention includes an inductance L and a capacitor C, which are filters for removing high-frequency noise components of the output current by winding an auxiliary coil at the end of the choke coil. The constant is reduced.
この本構成によって、無効電力成分を極力小さくして、出力電流歪を小さく抑えることができる。 With this configuration, the reactive power component can be minimized and the output current distortion can be kept small.
本発明の電力変換装置によれば、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスおよびコンデンサの定数を小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えることができるものである。 According to the power conversion device of the present invention, it is possible to reduce inductance and capacitor constants that are filters for removing high-frequency noise components of output current, and as a result, it is possible to reduce reactive power components as much as possible and to suppress output current distortion to a minimum. It is something that can be done.
第1の発明は、高周波トランスと、直流電圧を高周波電力に変換する第1インバータと、高周波トランスの2次側の整流手段と、整流手段の出力電流を制御する第2インバータと、チョークコイルとを備え、チョークコイルの終端に補助コイルを巻いて、第2インバータの出力電流の高周波ノイズ成分を、逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルすることにより、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスLおよびコンデンサCの定数小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えることができる。 A first invention includes a high-frequency transformer, a first inverter that converts a DC voltage into high-frequency power, a rectifier on the secondary side of the high-frequency transformer, a second inverter that controls the output current of the rectifier, and a choke coil The auxiliary coil is wound around the end of the choke coil, and the high frequency noise component of the output current of the second inverter is selectively canceled by the magnetic flux generated from the antiphase current, thereby removing the high frequency noise component of the output current. Therefore, the constants of the inductance L and the capacitor C that are filters for reducing the power consumption can be reduced. As a result, the reactive power component can be reduced as much as possible, and the output current distortion can be reduced.
第2の発明は、特に第1の発明のチョークコイルは、補助コイルをチョークコイルと同一コアに巻くようにしたことにより、確実に磁束をキャンセルでき、省スペース化がはかれ、小型化が可能となる。 In the second invention, in particular, the choke coil according to the first invention can cancel the magnetic flux surely by wrapping the auxiliary coil around the same core as the choke coil, thereby saving space and reducing the size. It becomes.
第3の発明は、特に第1の発明のチョークコイルは、補助コイルをチョークコイルの終端から逆方向に、チョークコイルの上に重ね合わせながら巻き返すようにしたことにより、トランスとして結合係数が高くなり、より確実に、効率的に磁束をキャンセルできるようになり、高周波ノイズ成分はさらに小さくなる。 In the third aspect of the invention, in particular, the choke coil of the first aspect of the invention has a high coupling coefficient as a transformer by winding the auxiliary coil in the opposite direction from the terminal end of the choke coil while being overlapped on the choke coil. The magnetic flux can be canceled more reliably and efficiently, and the high frequency noise component is further reduced.
第4の発明は、特に、第1から第3の発明の電力変換装置を太陽電池に搭載したものである。 In particular, the fourth invention is one in which the power converter of the first to third inventions is mounted on a solar cell.
第5の発明は、特に、第1から第3の発明の電力変換装置を燃料電池に搭載したものである。 In the fifth aspect of the invention, in particular, the power conversion device of the first to third aspects of the invention is mounted on a fuel cell.
以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1において、直列接続されたスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2、スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4とが第1インバータ11を構成し、各スイッチング素子Q1〜Q4のコレクタ−エミッタ(またはドレイン−ソース)間にはゼロ電圧スイッチング用の共振コンデンサ12a〜dが接続されている。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, a switching element Q1 and a switching element Q2 connected in series, a switching element Q3 and a switching element Q4 constitute a
第1インバータ11の出力は高周波トランス13の1次側に接続され、2次側には整流手段14と第2インバータ15とが接続されている。ここで第2インバータ15からの出力には、終端に補助コイル16が接続されたチョークコイル17が接続され、後段のフィルタ回路18を経て、系統19に連系している。
The output of the
このように構成された電力変換装置において、第1インバータ11内のスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q4、スイッチング素子Q2とスイッチング素子Q3とがそれぞれ180度の位相を有して高周波スイッチングすることで、高周波トランス13の1次側に高周波電力を発生する。
In the power conversion device configured as described above, the switching element Q1 and the switching element Q4 in the
ここで、導通していたスイッチング素子がターンオフする際に共振コンデンサが充電され、非導通であったスイッチング素子に並列に共振コンデンサが放電されて、逆導通ダイオードが導通しているタイミングでターンオンすることで、各素子のゼロ電圧スイッチングを実現している。 Here, the resonance capacitor is charged when the switching element that has been turned on is turned off, and the resonance capacitor is discharged in parallel with the switching element that has been turned off, and the reverse conduction diode is turned on at the timing when it is turned on. Thus, zero voltage switching of each element is realized.
因みに、ここでは第1インバータ11の構成において、4石のスイッチング素子Q1〜Q4および4つの共振コンデンサ12a〜dについて述べたが、1石のスイッチング素子、1つの共振コンデンサでも可能である。もちろん共振コンデンサを接続しない1石のスイッチング素子でもよい。
Incidentally, here, in the configuration of the
そして、高周波トランス13の2次側では、ダイオードからなる整流手段14で高周波成分を整流し、第2インバータ15で極性切換を行うことにより、正弦波電流を生成するものである。
On the secondary side of the high-
さらに、チョークコイル17の終端に補助コイル16を巻いてトランスとして動作させ、高周波ノイズと逆相の信号を取り出して、ノイズをキャンセルするものである。そして残った高周波の信号をフィルタ回路18にて削減するものである。
Further, the
このようにチョークコイル17の終端に補助コイル16を巻いて、第2インバータ15の出力電流の高周波ノイズ成分を逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルするものである。
In this way, the
ここで、チョークコイル17は、比率114ターンと4ターンとし、トータルで1.8mHとするもので、C1は1.5μFである。またフィルタ回路18においてコイルのインダクタンスL1は250μH、コンデンサ容量C2は0.33μFとする。
Here, the choke coil 17 has a ratio of 114 turns and 4 turns for a total of 1.8 mH, and C1 is 1.5 μF. In the
さらに図2における等価のシミュレーション回路にて動作を説明する。フィルタ回路18の効果を確認するため、入力電圧V1として周波数が17kHzで±200V、すなわち400Vの矩形波を入力とする。
Further, the operation will be described with an equivalent simulation circuit in FIG. In order to confirm the effect of the
図2において、チョークコイルの終端と補助コイルを接続し、ここでは結合係数が0.94のトランスと同等とみなす。さらにここではLA=1.8mH、LB=2.2μH、C1=1.5μF、L1=250μF、C2=0.33μF、R2=33Ωである。1)〜4)はノード番号のポイントを示す。 In FIG. 2, the end of the choke coil and the auxiliary coil are connected, and here it is regarded as equivalent to a transformer having a coupling coefficient of 0.94. Furthermore, LA = 1.8 mH, LB = 2.2 μH, C1 = 1.5 μF, L1 = 250 μF, C2 = 0.33 μF, and R2 = 33Ω. 1) to 4) indicate node number points.
以上の構成で、矩形波は図2の回路のノード2)において図3aの正弦波形に、また補助巻き線の両端に発生する電圧波形は図3bのように入力波形と逆相の電圧波形となる。 With the above configuration, the rectangular wave is the sine waveform of FIG. 3a at the node 2) of the circuit of FIG. 2, and the voltage waveform generated at both ends of the auxiliary winding is a voltage waveform having a phase opposite to that of the input waveform as shown in FIG. Become.
この図3aと図3bの波形を合成することにより、図3cの合成波形が図2のノード3)において出力されることになる。この合成された波形はキャリア周波数の2倍の高周波を含んだ波形となる。 By synthesizing the waveforms of FIGS. 3a and 3b, the synthesized waveform of FIG. 3c is output at node 3) of FIG. This synthesized waveform is a waveform including a high frequency twice the carrier frequency.
さらに図3cの合成出力波形はフィルタ回路18により図3dのなめらかな波形となる。このなめらかな出力波形は周波数解析により、17kHzの高周波成分が約1/10に減衰していることが証明されている(説明略)。 Further, the combined output waveform of FIG. 3C is made into the smooth waveform of FIG. This smooth output waveform has been proved by frequency analysis that the high frequency component of 17 kHz is attenuated to about 1/10 (not shown).
このように、通常のフィルタ回路18としては、インダクタンスL1=1mH、コンデンサ容量C2=10μF以上でないと高周波ノイズ成分を減衰することは困難であるが、C2=10μF以上もの大きな容量のコンデンサを使用すると、出力電流において無効電力成分が大きくなり、力率が低下して出力電流波形が歪むことになる。ここでチョークコイル17の終端に補助コイル16を巻くことにより、出力電流波形を歪ませることなく高周波ノイズ成分を減衰させることができる。
Thus, as a
かかる構成によれば、出力電流に対し、逆位相の電流から発生する磁束で高周波電流を選択的にキャンセルできるので、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスLおよびコンデンサCの定数を小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えることができるものである。 According to such a configuration, the high frequency current can be selectively canceled by the magnetic flux generated from the current in the opposite phase with respect to the output current, so that the inductance L and the capacitor C which are filters for removing the high frequency noise component of the output current The constant can be reduced, and as a result, the reactive power component can be reduced as much as possible, and the output current distortion can be reduced.
また、チョークコイル17は、補助コイル16をこのチョークコイル17と同一コアに巻くようにする。
The choke coil 17 winds the
かかる構成によれば、確実に磁束をキャンセルでき、省スペース化がはかれ、小型化が可能となる。 According to such a configuration, the magnetic flux can be canceled with certainty, space saving can be achieved, and miniaturization can be achieved.
また、チョークコイル17は、補助コイル16をこのチョークコイル17の終端から逆方向に、同チョークコイル17の上に重ね合わせながら巻き返すようにする。
In addition, the choke coil 17 winds the
この構成によれば、トランスとして結合係数が高くなり、より確実に、効率的に磁束をキャンセルできるようになり、高周波ノイズ成分はさらに小さくなる。 According to this configuration, the coupling coefficient of the transformer is increased, the magnetic flux can be canceled more reliably and efficiently, and the high frequency noise component is further reduced.
そして、前記した電力変換装置は、直流電力を商用周波数の交流電力に変換するように燃料電池、或いは、太陽電池などに応用することができるものである。 The power conversion device described above can be applied to a fuel cell, a solar cell, or the like so as to convert DC power into AC power having a commercial frequency.
本発明の電力変換装置は、出力電流の高周波ノイズ成分を除去でき、かつフィルタであるインダクタンスLおよびコンデンサCの定数を小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えた電力変換装置を提供する。これは燃料電池発電に限らず太陽光発電他の電力変換装置にも応用が可能である。 The power conversion device of the present invention can remove the high frequency noise component of the output current, and can reduce the constants of the inductance L and the capacitor C, which are the filters. As a result, the reactive power component can be minimized and the output current distortion can be kept small. A power converter is provided. This can be applied not only to fuel cell power generation but also to other power conversion devices such as solar power generation.
11 第1インバータ
12a〜d 共振コンデンサ
13 高周波トランス
14 整流手段
15 第2インバータ
16 補助コイル
17 チョークコイル
18 フィルタ回路
19 系統
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