JP6140007B2

JP6140007B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6140007B2
Application number: JP2013138138A
Authority: JP
Inventors: 宏樹石内; 大森　洋一; 洋一大森
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: JP2015012750A

Description

本発明は、３相交流電圧源と直流電圧源との間で電力転送を行う電力変換装置に関するものである。

従来、３相交流電圧源と直流電圧源との間で電力転送を行う電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図５は、３相交流電圧源と直流電圧源との間で電力転送を行う従来の電力変換装置の一例を表した回路図である。３相フルブリッジコンバータ８３は、交流リアクトル（ＡＣＬ）８２を介して３相交流電圧源８０に接続されている。また、３相フルブリッジコンバータ８３の出力はコンデンサ８５に接続されているので、コンデンサ８５との間で電力転送することができる。しかし、コンデンサ８５の電圧は３相交流電圧源８０の線間電圧最大値よりも低くすることができないため、昇降圧チョッパ８４を用いて、コンデンサ８５と直流電圧源６との間の電力転送を行っている。つまり、交流リアクトル８２、３相フルブリッジコンバータ８３、コンデンサ８５、及び昇降圧チョッパ８４により、３相交流電圧源と任意の電圧の直流電圧源との間の電力転送を実現している。

特開２００３−３４８８３４号公報

しかし、図５に示す従来の電力変換装置は、３相フルブリッジコンバータ８３や昇降圧チョッパ８４のスイッチング素子のスイッチング時点において、必ずしもスイッチング素子の両端電圧が零であったり流れている電流が零であったりしないのでハードスイッチングとなりスイッチング損失が発生する。スイッチング損失はスイッチング周波数に比例するので、システムの効率を上げるためにスイッチング周波数を高くすることができない。すると、交流リアクトル８２や昇降圧チョッパ８４内のインダクタに流れるリップル電流を抑制するために、交流リアクトル８２や昇降圧チョッパ８４内のインダクタのインダクタンスを大きくする必要があり、その結果、交流リアクトル８２や昇降圧チョッパ８４内のインダクタの大きさが大きくなるという問題がある。またハードスイッチングであるが故に、スイッチング時点において回路内の電流や電圧の時間的変化率が非常に大きくなり、スイッチングに伴う大きな電磁波ノイズが発生してしまうという問題がある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、ソフトスイッチングが維持されたまま、３相交流電圧源と直流電圧源との間で電力転送することが可能な電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、３相交流電圧源と、３つの電力変換部と、直流電圧源とを備え、スイッチング素子にコンデンサが並列接続されダイオードが逆並列接続されたスナバ付きスイッチを用いて３相交流電圧源と直流電圧源の間で電力転送を行う電力変換装置であって、前記電力変換部は、正極端子にダイオードのカソードが接続されたスナバ付きスイッチと、負極端子にダイオードのアノードが接続されたスナバ付きスイッチとを、接続端子を介して同方向に直列接続した第１の相ブリッジ、第２の相ブリッジ、第３の相ブリッジ、及び第４の相ブリッジを有し、前記第１の相ブリッジ及び前記第２の相ブリッジは並列接続され、前記第３の相ブリッジ及び前記第４の相ブリッジは並列接続され、前記第１の相ブリッジ及び前記第２の相ブリッジと、前記第３の相ブリッジ及び前記第４の相ブリッジとは負荷を介して接続され、前記第１の相ブリッジは、それぞれの正極端子が前記３相交流電圧源の各相に接続され、それぞれの負極端子同士が短絡接続され、前記第４の相ブリッジは、それぞれの正極端子同士が短絡接続され、それぞれの負極端子同士が短絡接続され、前記第４の相ブリッジのいずれか１つに前記直流電圧源が並列接続されており、前記第２の相ブリッジの接続端子に対する前記第１の相ブリッジの接続端子の電圧である１次電圧が、半周期毎に零電圧を介して、位相期間γで前記３相交流電圧源の電圧と該電圧の反転電圧とを交互に繰り返すように、前記第１の相ブリッジのスナバ付きスイッチ及び前記第２の相ブリッジのスナバ付きスイッチはスイッチングされ、前記第４の相ブリッジの接続端子に対する前記第３の相ブリッジの接続端子の電圧である２次電圧が、前記１次電圧と同じ周波数で前記１次電圧より位相が（１８０度−制御角δ）だけ遅れて、半周期毎に零電圧を介して、前記位相期間γで前記直流電圧源の電圧と該電圧の反転電圧とを交互に繰り返すように、前記第３の相ブリッジのスナバ付きスイッチ及び前記第４の相ブリッジのスナバ付きスイッチはスイッチングされることを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記電力変換部の前記負荷は、前記第１の相ブリッジの接続端子に接続された第１のインダクタと、前記第３の相ブリッジの接続端子に接続された第２のインダクタと、前記第１のインダクタと前記第２の相ブリッジの接続端子との間に１次巻線が接続され、前記第２のインダクタと前記第４の相ブリッジの接続端子との間に２次巻線が接続されたトランスと、を有することを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記位相期間γは、ゼロ以上の値を切片とした前記制御角δの一次関数であることを特徴とする。

本発明によれば、３相交流電圧源と直流電圧源の間でソフトスイッチングを維持したまま電力転送することが可能となる。そのため、電磁波ノイズ及びスイッチング損失を小さくすることができる、スイッチング周波数を上げることができる、インダクタを小さくすることができるといった効果がある。さらに、交流リアクトルを削減することができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の第１の例を表した回路図である。直流電圧源間で電力転送を行う電力変換装置の一例を表した回路図である。図２の回路図の動作電圧波形例を示す図である。本発明の一実施形態に係る電力変換装置において、各相ブリッジの負極端子からみた正極端子の電圧波形を示す図である。従来の３相交流電圧源と直流電圧源の間の電力変換回路の一例を表した回路図である。本発明の一実施形態に係る電力変換装置の第２の例を表した回路図である。

以下、本発明による電力変換装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図２は直流電圧源間で電力転送を行う電力変換装置の一例を表した回路図である。電力変換装置１００は、直流電圧源５と、電力変換部３０と、直流電圧源６とを備える。相ブリッジ１は、正極端子にダイオードのカソードが接続されたスナバ付きスイッチ２１と、負極端子にダイオードのアノードが接続されたスナバ付きスイッチ２２とを、接続端子を介して同方向に直列接続することで構成される。同様に、相ブリッジ２はスナバ付きスイッチ２３とスナバ付きスイッチ２４から構成され、相ブリッジ３はスナバ付きスイッチ２５とスナバ付きスイッチ２６から構成され、相ブリッジ４はスナバ付きスイッチ２７とスナバ付きスイッチ２８から構成される。ここで、スナバ付きスイッチとは、単方向の電流をスイッチングできるスイッチング素子にダイオードを逆並列接続し、さらにコンデンサを並列接続したスイッチのことをいう。

相ブリッジ１及び相ブリッジ２は並列接続され、相ブリッジ３及び相ブリッジ４も同様に並列接続される。相ブリッジ１及び相ブリッジ２と、相ブリッジ３及び相ブリッジ４とは、負荷を介して接続される。図２では、負荷として、外付けインダクタ１１，１２、及びトランス８を使用するが、その他の例として、相ブリッジ１の接続端子と相ブリッジ３の接続端子の間にインダクタを接続し、相ブリッジ２の接続端子と相ブリッジ４の接続端子とを短絡接続してもよい。

相ブリッジ１と相ブリッジ２の正極端子には直流電圧源５の高電位側が接続され、相ブリッジ１と相ブリッジ２の負極端子には直流電圧源５の低電位側が接続され、直流電圧源５と相ブリッジ１と相ブリッジ２からブリッジ回路が構成される。同様に、相ブリッジ３と相ブリッジ４の正極端子には直流電圧源６の高電位側が接続され、相ブリッジ３と相ブリッジ４の負極端子には直流電圧源６の低電位側が接続され、直流電圧源６と相ブリッジ３と相ブリッジ４からブリッジ回路が構成される。

トランス８の１次巻線には外付けインダクタ１１と相ブリッジ２の接続端子とが接続され、外付けインダクタ１１の他方には相ブリッジ１の接続端子が接続される。同様に、トランス８の２次巻線には外付けインダクタ１２と相ブリッジ４の接続端子とが接続され、外付けインダクタ１２の他方には相ブリッジ３の接続端子が接続される。

全てのスナバ付きスイッチは、デューティー比５０％の同じ周波数でスイッチングを行う。スナバ付きスイッチ２２，２４，２６，２８は、それぞれスナバ付きスイッチ２１，２３，２５，２７のデッドタイムを介した反転動作でスイッチングを行う。

図３は、図２に示す電力変換装置１００の動作波形を示す図である。電圧Ｖ_１は相ブリッジ２の接続端子に対する相ブリッジ１の接続端子の電圧（１次電圧）であり、半周期毎に零電圧期間が存在する。電圧Ｖ_２は相ブリッジ４の接続端子に対する相ブリッジ３の接続端子の電圧（２次電圧）であり、半周期毎に零電圧期間が存在する。２次電圧Ｖ_２は１次電圧Ｖ_１より位相が（１８０度−制御角δ）だけ遅れている。制御角δは伝送電力量で決まり、制御にて与えられる。制御角δが零の場合、１次電圧Ｖ_１と２次電圧Ｖ_２の極性が反転する事となる。制御角δを図３のように与えると、直流電圧源５から直流電圧源６へ電力を転送することができる。

位相期間γは、１次電圧Ｖ_１又は２次電圧Ｖ_２が直流電圧源５，６の電圧又は反転電圧を出力している位相期間である。また制御角δは、２次電圧Ｖ_２が直流電圧源６の反転電圧−Ｅ_２から零電圧に切替る位相から、１次電圧Ｖ_１が直流電圧源５の電圧Ｅ_１から零電圧に切替る位相までの期間としている。図３の１次電圧Ｖ_１及び２次電圧Ｖ_２が切替る時刻ｔ_１〜ｔ_８における各電流Ｉ_１〜Ｉ_４の大きさは、式（１）〜（４）で表される。また伝送電力Ｐは１次電圧Ｖ_１、２次電圧Ｖ_２、及び電流Ｉが図３で示されるときに、１次電圧Ｖ_１の波形と電流Ｉの波形から式（５）が導き出せる。

ここで、角周波数ω＝２πｆでありｆはスイッチング周波数、Ｌは負荷のインダクタンスであり、図２に示す例では、外付けインダクタ１１，１２、及びトランス８の合成インダクタンスとなる。式（５）より伝送電力Ｐは制御角δを使って制御できることがわかるので、制御角δは伝送電力Ｐの制御角として使用することができる。

１次電圧Ｖ_１が零電圧から＋Ｅ_１へ切替る時刻ｔ_１でのスイッチング動作は、スナバ付きスイッチ２２がターンオフし、デッドタイム期間経過後にスナバ付きスイッチ２１がターンオンする。スナバ付きスイッチ２２のターンオフはスナバ付きスイッチ２２のコンデンサＣ_２によってスナバ付きスイッチ２２の両端の電圧の上昇率が抑制されるので、スナバ付きスイッチ２２のスイッチング損失が零の零電圧スイッチングでターンオフできる。

時刻ｔ_１のようにスナバ付きスイッチ２２がターンオフした際に電流Ｉの極性が負であると、電流Ｉはスナバ付きスイッチ２１のコンデンサＣ_１とスナバ付きスイッチ２２のコンデンサＣ_２へ分流し、コンデンサＣ_１，Ｃ_２、外付けインダクタ１１，１２、及びトランス８の漏れインダクタとの共振が開始する。電流ＩはＣ_２を充電させてＣ_１を放電し、Ｃ_２の電圧がＥ_１まで充電されてＣ_１の電圧が零まで放電されるとスナバ付きスイッチ１のダイオードＤ_１が導通する。

この時、電流Ｉの絶対値が所定値Ｉ_ｍｉｎよりも大きければデッドタイム期間中にコンデンサＣ_１が零電圧まで放電してダイオードＤ_１を導通させることができる。そのため、スナバ付きスイッチ２１のターンオン時にはダイオードＤ_１に電流が流れた状態でターンオンでき、スイッチング損失が零の零電圧スイッチングでターンオンすることができる。時刻ｔ_２〜ｔ_８においても同様な現象で零電圧スイッチングによるソフトスイッチングができる。ただし時刻ｔ_１〜ｔ_８の各スイッチングポイントにおいて、時刻ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５では電流Ｉの極性が正、時刻ｔ_１，ｔ_６，ｔ_７，ｔ_８では極性が負で、電流Ｉの絶対値が所定値Ｉ_ｍｉｎよりも大きい必要がある。

例えば、１次電圧Ｖ_１が零電圧から電圧Ｅ_１へ切替る時刻ｔ_１で零電圧スイッチングを行う条件は、電流Ｉの極性が負であり、Ｉの絶対値が所定値Ｉ_ｍｉｎ以上であることである。ここで所定値Ｉ_ｍｉｎは、デッドタイム期間中にスナバコンデンサ充放電に必要な最小電流である。Ｉ_１からＩ_４が所定値Ｉ_ｍｉｎ以上になるようにするには、図３から｜Ｉ_３｜，｜Ｉ_４｜＞｜Ｉ_１｜，｜Ｉ_２｜なので、｜Ｉ_１｜，｜Ｉ_２｜＞Ｉ_ｍｉｎとすればよい。ソフトスイッチングするための条件は、式（１），（２）から式（６）のようになる。式（６）から位相期間γを求めると式（７）のようになる。式（７）は式（８）と式（９）に分解され、式（９）のＧは１〜２の値をとる。

式（６），（７），（９）中のｍａｘ（Ｅ_１，Ｅ_２）は、Ｅ_１とＥ_２で大きいほうを選択するということを意味する。γは前述したように、直流電圧源５の電圧Ｅ_１又はその反転電圧−Ｅ_１が１次電圧Ｖ_１に出力されている位相期間であり、直流電圧源６の電圧Ｅ_２又はその反転電圧−Ｅ_２がＶ_２に出力されている位相期間でもある。式（８）のβ（本明細書において、「調整角」という）の値は大きく変動しないものなので予め求められる一定値とすると、位相期間γは調整角βを切片にもち、制御角δに比例する一次関数となり容易に求めることができる。

このように、調整角βと制御角δによって位相期間γを求めることができる。そのため、１次電圧Ｖ_１が図３に示すような波形になるようスイッチングすれば、時刻ｔ_１〜ｔ_８までの全てのスイッチングポイントにおいて絶対値が所定値Ｉ_ｍｉｎ以上の電流Ｉを流すことができ、零電圧スイッチングによるソフトスイッチングが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を表した回路図である。図１に示す電力変換装置１０は、３相交流電圧源８０と、３つの図２に示した電力変換部３０と、直流電圧源６とを備える。接続方法は、各電力変換部３０の相ブリッジ１の正極端子に３相交流電圧源８０の各相を接続し、相ブリッジ１の負極端子同士を３つとも短絡接続する。また、直流電圧源６は電力変換装置１０全体で１つとし、３つの相ブリッジ４のいずれか１つに並列接続される。また、相ブリッジ４の正極端子同士を３つとも短絡接続させ、同様に相ブリッジ４の負極端子同士も３つとも短絡接続させる。

図３に示した電圧波形と同様に、各相ブリッジ２の接続端子からの各相ブリッジ１の接続端子の電圧波形である１次電圧Ｖ_１が、半周期毎に零電圧を介して、位相期間γで３相交流電圧源８０の各相の電圧と該電圧の反転電圧とを交互に繰り返すように、相ブリッジ１のスナバ付きスイッチ２１，２２、及び相ブリッジ２のスナバ付きスイッチ２３，２４はスイッチングされる。また、各相ブリッジ４の接続端子からの各相ブリッジ３の接続端子の電圧である２次電圧Ｖ_２が、１次電圧Ｖ_１と同じ周波数で１次電圧Ｖ_１より位相が（１８０度−制御角δ）だけ遅れて、半周期毎に零電圧を介して、位相期間γで直流電圧源６の電圧と該電圧の反転電圧とを交互に繰り返すように、相ブリッジ３のスナバ付きスイッチ２５，２６及び相ブリッジ４のスナバ付きスイッチ２７，２８はスイッチングされる。

図１に示す電力変換装置１０は、図２に示す電力変換装置１００と比較して、相ブリッジ１に並列に接続されるものが直流電圧源５ではなく、３相交流電圧源８０の各相に接続されるという点が異なる。相ブリッジ１の負極端子は、３相交流電圧源８０の中性点となる。

図４は、各相ブリッジ１の負極端子からみた正極端子の電圧波形を示す図である。０は中性点の電位を示している。中性点の電位を図４のように下げることで、各電力変換部３０の相ブリッジ１の負極端子からみた正極端子の電位は常に正となる。図４では、相ブリッジ１の負極端子からみた正極端子の最低電圧を、中性点の電位よりもさらにＡ［Ｖ］高いものとしている。３相交流電圧源８０の電圧は、図２の回路の直流電圧源５と比べて変化量は大きくなるが、電圧極性が一定の直流電圧とみなせば、図２で示した方式によりソフトスイッチングによる電力変換が可能となる。

図６は、電力変換装置１０の変形例を示す回路図である。電力変換装置１０は、図１に示す例では、相ブリッジ１，２と相ブリッジ３，４との間を外付けインダクタ１１，１２、及びトランス８を介して接続しているが、図６に示すように、外付けインダクタ７を介して接続するようにしてもよい。ただし、図１に示すようにトランス８を用いることにより、入出力間を電気的に絶縁し、安全性を高めることができる。

このように、本発明に係る電力変換装置は、３相交流の１次電圧源と直流の２次電圧源との間で電力転送できる電力変換装置において、スイッチング時の電流をほぼ零にして電圧の立ち上がりを鈍らせ、ソフトスイッチングを維持することができる。かくして、電磁波ノイズやスイッチング損失を大幅に低減することができる。

本発明は、交流電圧と直流電圧との間で電力転送を行う任意の用途に有用である。例えば、風力発電のインバータと系統電圧との間の電力転送に用いることができる。

１〜４相ブリッジ
５，６直流電圧源
７，１１，１２外付けインダクタ
８トランス
１０電力変換装置
２１〜２８スナバ付きスイッチ
３０電力変換部
８０３相交流電圧源

Claims

３相交流電圧源と、３つの電力変換部と、直流電圧源とを備え、スイッチング素子にコンデンサが並列接続されダイオードが逆並列接続されたスナバ付きスイッチを用いて３相交流電圧源と直流電圧源の間で電力転送を行う電力変換装置であって、
前記電力変換部は、正極端子にダイオードのカソードが接続されたスナバ付きスイッチと、負極端子にダイオードのアノードが接続されたスナバ付きスイッチとを、接続端子を介して同方向に直列接続した第１の相ブリッジ、第２の相ブリッジ、第３の相ブリッジ、及び第４の相ブリッジを有し、
前記第１の相ブリッジ及び前記第２の相ブリッジは並列接続され、前記第３の相ブリッジ及び前記第４の相ブリッジは並列接続され、前記第１の相ブリッジ及び前記第２の相ブリッジと、前記第３の相ブリッジ及び前記第４の相ブリッジとは負荷を介して接続され、
前記第１の相ブリッジは、それぞれの正極端子が前記３相交流電圧源の各相に接続され、それぞれの負極端子同士が短絡接続され、
前記第４の相ブリッジは、それぞれの正極端子同士が短絡接続され、それぞれの負極端子同士が短絡接続され、
前記第４の相ブリッジのいずれか１つに前記直流電圧源が並列接続されており、
前記第２の相ブリッジの接続端子に対する前記第１の相ブリッジの接続端子の電圧である１次電圧が、半周期毎に零電圧を介して、位相期間γで前記３相交流電圧源の電圧と該電圧の反転電圧とを交互に繰り返すように、前記第１の相ブリッジのスナバ付きスイッチ及び前記第２の相ブリッジのスナバ付きスイッチはスイッチングされ、
前記第４の相ブリッジの接続端子に対する前記第３の相ブリッジの接続端子の電圧である２次電圧が、前記１次電圧と同じ周波数で前記１次電圧より位相が（１８０度−制御角δ）だけ遅れて、半周期毎に零電圧を介して、前記位相期間γで前記直流電圧源の電圧と該電圧の反転電圧とを交互に繰り返すように、前記第３の相ブリッジのスナバ付きスイッチ及び前記第４の相ブリッジのスナバ付きスイッチはスイッチングされることを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換部の前記負荷は、
前記第１の相ブリッジの接続端子に接続された第１のインダクタと、
前記第３の相ブリッジの接続端子に接続された第２のインダクタと、
前記第１のインダクタと前記第２の相ブリッジの接続端子との間に１次巻線が接続され、前記第２のインダクタと前記第４の相ブリッジの接続端子との間に２次巻線が接続されたトランスと、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
前記位相期間γは、ゼロ以上の値を切片とした前記制御角δの一次関数であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力変換装置。