JP6699929B2 - 突入電流低減回路及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサのプリチャージ時に発生する突入電流を低減する突入電流低減回路に関する。

１次側の直流電圧を昇圧して、２次側のＤＣリンクバスに電力を供給する目的でＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。ＤＣリンクバスには、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作に起因して発生するリップルを除去するために平滑コンデンサが接続される（例えば、特許文献１参照）。

平滑コンデンサが充電されていない状態で、１次側の直流電源と平滑コンデンサとを接続するリレーをオンにすると、１次側の直流電源から平滑コンデンサに向かって突入電流が流れる。突入電流によるスイッチの損傷を抑制するために、リレーに対して直列に減流抵抗（充電抵抗）が挿入される。平滑コンデンサに加わる電圧が所定値に達すると、充電抵抗は短絡される。

特開２０１１−１３０６５３号公報

リレーをオンにすると、リレーの接点間が近づいて導通することにより平滑コンデンサのプリチャージが開始される。接点間の導通開始時に、接点間でアーク放電が生じる。このアーク放電に起因してリレーの接点が損傷されることにより、リレーの寿命が短くなってしまう。充電抵抗の抵抗値を高くすることにより、アーク電流を少なくすることができる。ところが、充電抵抗を大きくすると、平滑コンデンサをプリチャージするための所要時間が長くなってしまう。

本発明の目的は、プリチャージの所要時間の増大を抑制し、かつリレーの損傷を抑制することができる突入電流低減回路及び電力変換装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
コンデンサと直流電源との間に挿入される突入電流低減回路であって、
前記直流電源と前記コンデンサとを接続するメインリレーに対して並列に接続された複数の分流回路であって、前記複数の分流回路の各々は、相互に直列接続された充電抵抗素子とプリチャージ用リレーとで構成される前記複数の分流回路
を有し、
前記コンデンサのプリチャージ時に、複数の前記プリチャージ用リレーは、制御装置によってタイミングをずらして順番にオンにされ、
複数の前記プリチャージ用リレーは、制御装置によってオンにされる順番が変わる突入電流低減回路が提供される。

２つ目のプリチャージ用リレーをオンにすると、充電抵抗の合成抵抗値が小さくなる。その結果、充電電流の減少の時定数が短くなり、プリチャージを短時間で終了することができる。また、充電電流が流れ始めるときの充電抵抗の値は、２つ目のプリチャージ用リレーをオンにした状態の充電抵抗の値よりも大きい。このため、突入電流を小さくすることができる。プリチャージ用リレーをオンにする順番を変えることにより、プリチャージ用リレーの損傷を平準化することができる。

図１は、実施例による突入電流低減回路の等価回路図である。 図２Ａは、実施例による突入電流低減回路において、平滑コンデンサのプリチャージを行うときのフローチャートであり、図２Ｂは、平滑コンデンサの充電電流の時間変化を示すグラフである。 図３Ａは、他の実施例による突入電流低減回路において、平滑コンデンサのプリチャージを行うときのフローチャートであり、図３Ｂは、平滑コンデンサの充電電流の時間変化を示すグラフである。 図４は、さらに他の実施例による突入電流低減回路において、平滑コンデンサのプリチャージを行うときのフローチャートである。 図５は、さらに他の実施例による突入電流低減回路の等価回路図である。 図６は、図５に示した実施例による突入電流低減回路において、平滑コンデンサのプリチャージを行うときのフローチャートである。 図７は、さらに他の実施例による電力変換装置の等価回路図である。

図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、実施例による突入電流低減回路について説明する。
図１に、実施例による突入電流低減回路の等価回路図を示す。一対の入力ノード１１が直流電源５０に接続される。直流電源５０には、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置や、電力系統からの交流電力をダイオードで整流した電源が用いられる。

メインリレー２１が、一方の入力ノード１１と平滑コンデンサ３０の一方の電極とを接続する。他方の入力ノード１１は、平滑コンデンサ３０の他方の電極に接続されている。平滑コンデンサ３０の端子間電圧が負荷３５に与えられる。負荷３５は、例えば交流電動機を駆動するためのインバータ等である。

複数の分流回路２２が、メインリレー２１に対して並列に接続されている。複数の分流回路２２の各々は、相互に直列接続された充電抵抗素子２３とプリチャージ用リレー２４とで構成される。複数の充電抵抗素子２３として、例えば同一の抵抗値を持つものが用いられる。なお、複数の充電抵抗素子２３の抵抗値は、必ずしも同一である必要はない。制御装置２５が、メインリレー２１及びプリチャージ用リレー２４のオンオフ制御を行う。電圧センサ３１が、平滑コンデンサ３０の端子間電圧を測定する。電圧センサ３１の測定結果が、制御装置２５に入力される。

図２Ａに、平滑コンデンサ３０（図１）のプリチャージを行うときのフローチャートを示す。プリチャージを行うときには、まず制御装置２５がメインリレー２１をオンにする前に、すべてのプリチャージ用リレー２４を同時にオンにする（ステップＳＡ１）。これにより、複数の分流回路２２（図１）を経由して、平滑コンデンサ３０に充電電流が流れる。

制御装置２５は、平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達したか否かを判定する（ステップＳＡ２）。平滑コンデンサ３０に加わる電圧は、電圧センサ３１によって測定される。平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達していない場合には、このままプリチャージを継続する。平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達したら、制御装置２５がメインリレー２１をオンにする（ステップＳＡ３）。基準値は、予め制御装置２５に設定されている。なお、プリチャージ用リレー２４をオンにしてから所定の時間が経過した時点でメインリレー２１をオンにする処理を採用してもよい。プリチャージ用リレー２４をオンにしてからメインリレー２１をオンにするまでの時間は、予め制御装置２５に設定されている。

次に、図２Ｂを参照して、上記実施例の優れた効果について説明する。
図２Ｂに、平滑コンデンサ３０の充電電流の時間変化を示す。横軸は、プリチャージ用リレー２４をオンにした時点からの経過時間を表し、縦軸は充電電流の大きさを表す。２つのプリチャージ用リレー２４を同時にオンにする制御が行われるが（ステップＳＡ１）、一般的には、プリチャージ用リレー２４の個体差により、２つのプリチャージ用リレー２４の接点が閉じる時刻は、わずかにずれる。

一方のプリチャージ用リレー２４の接点が閉じ、一方の分流回路２２（図１）を経由して突入電流が流れる。突入電流の大きさＩ１は、充電抵抗素子２３の抵抗値と、直流電源５０の開路電圧及び内部抵抗によって決まる。平滑コンデンサ３０の充電が進むに従って、充電電流が減少する。充電抵抗素子２３の抵抗値をＲで表し、平滑コンデンサ３０の静電容量をＣで表すと、充電電流は、時定数ＣＲで減少する。ここで、直流電源５０の内部抵抗は無視している。

最初に接点が閉じた時刻より僅かに遅れて、もう一方のプリチャージ用リレー２４の接点が閉じ（時刻ｔ１）、もう一方の分流回路２２に突入電流が流れる。時刻ｔ１において２番目のプリチャージ用リレー２４の接点が閉じる直前の充電電流の大きさをＩ３で表すと、２番目に接点が閉じた分流回路２２に流れる突入電流の大きさは、Ｉ３にほぼ等しくなる。時刻ｔ１以降は、相互に並列に接続された２つの充電抵抗素子２３を経由して充電電流が流れる。このため、充電電流は、時定数ＣＲ／２で減少する。

分流回路２２が１つだけ設けられた回路構成と比較すると、実施例による回路構成では、充電電流の減少の時定数が１／２倍に短くなる。このため、平滑コンデンサ３０のプリチャージの所要時間を短縮することができる。

分流回路２２が１つだけ設けられた回路構成において、充電時間の減少の時定数を実施例の場合と同一にするためには、１つの充電抵抗素子２３の抵抗値をＲ／２にしなければならない。この場合の突入電流の大きさＩ２は、実施例において最初に接点が閉じるプリチャージ用リレー２４に流れる突入電流の大きさＩ１の約２倍になる。言い換えると、実施例においては、１つの充電抵抗素子２３の抵抗値をＲ／２にした回路構成に比べて、突入電流の大きさが１／２倍に低下する。

実施例において、２つのプリチャージ用リレー２４の接点が厳密に同時に閉じた場合には、２つの分流回路２２に同時に、突入電流が流れる。プリチャージ用リレー２４の各々に流れる突入電流の大きさは、１つのプリチャージ用リレー２４のみの接点が閉じたときの突入電流の大きさＩ１と同一である。

上述のように、実施例においては、１つのみの分流回路２２が設けられた回路構成と比べて、プリチャージの所要時間の増大を抑制し、かつプリチャージ用リレー２４の各々に流れる突入電流を低減することができる。これにより、プリチャージ用リレー２４の長寿命化を図ることができる。

上記実施例では、メインリレー２１に対して２つの分流回路２２を並列に接続したが、３つ以上の分流回路２２を並列に接続してもよい。この場合、ステップＳＡ１において、すべてのプリチャージ用リレー２４を同時にオンにすればよい。分流回路２２の数を増やすと、すべてのプリチャージ用リレー２４をオンにしたときに充電電流が減少する時定数を短く維持したまま、充電抵抗素子２３の各々の抵抗値を大きくすることができる。このため、プリチャージ用リレー２４の各々に流れる突入電流をより小さくすることができる。

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、他の実施例について説明する。以下、図１〜図２Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図３Ａに、本実施例による突入電流低減回路において平滑コンデンサ３０（図１）のプリチャージを行うときのフローチャートを示す。プリチャージを行うときに、制御装置２５が一方のプリチャージ用リレー２４をオンにする（ステップＳＢ１）。一方のプリチャージ用リレー２４をオンにしてから所定の待機時間が経過した（ステップＳＢ２）後、他方のプリチャージ用リレー２４をオンにする（ステップＳＢ３）。その後のステップＳＢ４、ＳＢ５の処理は、図２Ａに示したステップＳＡ２、ＳＡ３の処理と同一である。

次に、図３Ｂを参照して、本実施例の優れた効果について説明する。本実施例では、最初にプリチャージ用リレー２４をオンにした時点から、次にプリチャージ用リレー２４をオンにする時点（時刻ｔ２）までに所定の待機時間が経過する。この待機時間が経過する間に、充電電流が徐々に減少する。２番目のプリチャージ用リレー２４がオンになる時点（時刻ｔ２）で、充電電流の大きさがＩ４まで低下している。このため、２番目のプリチャージ用リレー２４に流れる突入電流の大きさもＩ４まで低下する。

最初にオンにするプリチャージ用リレー２４に流れる突入電流の大きさＩ１は、図２Ｂに示した実施例において最初に接点が閉じるプリチャージ用リレー２４に流れる突入電流の大きさＩ１に等しい。ただし、２番目にオンにするプリチャージ用リレー２４に流れる突入電流の大きさＩ４は、図２Ｂに示した実施例において２番目に接点が閉じるプリチャージ用リレー２４に流れる突入電流の大きさＩ３より小さい。従って、２番目にオンにするプリチャージ用リレー２４の接点の損傷を低減することができる。

ステップＳＢ２で待機する時間は、予め制御装置２５に設定されている。待機時間が短すぎると、２つのプリチャージ用リレー２４を同時にオンにする実施例（図２Ａ）と実質的に変わらなくなってしまう。待機時間を長くし過ぎると、プリチャージの所要時間が長くなってしまう。待機時間の長さは、突入電流低減回路が組み込まれる装置の要求条件等に基づいて決定すればよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例においては、２つの分流回路２２を設けたが、３つ以上の分流回路２２を設けてもよい。この場合には、複数のプリチャージ用リレー２４を、タイミングをずらして順番にオンにすればよい。本実施例では、プリチャージの度に、複数のプリチャージ用リレー２４をオンにする順番は固定されている。

次に、図４を参照して、さらに他の実施例による突入電流低減回路について説明する。以下、図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図４に、本実施例による突入電流低減回路において平滑コンデンサ３０（図１）のプリチャージを行うときのフローチャートを示す。プリチャージを行うときに、制御装置２５（図１）が、前回のプリチャージ時に最初にどのプリチャージ用リレー２４をオンにしたか判定する。

前回、第１のプリチャージ用リレー２４を最初オンにした場合には、今回は、前回とは異なる第２のプリチャージ用リレー２４をオンにする（ステップＳＣ２）。その後、所定の待機時間が経過（ステップＳＣ３）した後、第１のプリチャージ用リレー２４をオンにする（ステップＳＣ４）。

前回、第２のプリチャージ用リレー２４を最初オンにした場合には、今回は、前回とは異なる第１のプリチャージ用リレー２４をオンにする（ステップＳＣ５）。その後、所定の待機時間が経過（ステップＳＣ６）した後、第２のプリチャージ用リレー２４をオンにする（ステップＳＣ７）。

ステップＳＣ４及びＳＣ７の後に実行されるステップＳＣ８及びＳＣ９の処理は、図３Ａに示したステップＳＢ４及びＳＢ５の処理と同一である。

本実施例では、プリチャージの度に、プリチャージ用リレー２４をオンにする順番が変わる。最初にオンにするプリチャージ用リレー２４に最も大きな突入電流が流れるため、最初にオンにするプリチャージ用リレー２４が最も損傷を受けやすい。本実施例では、複数のプリチャージ用リレー２４の損傷を平準化することができる。

次に、図５及び図６を参照して、さらに他の実施例による突入電流低減回路について説明する。以下、図１、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図５に、本実施例による突入電流低減回路の等価回路図を示す。本実施例では、メインリレー２１に対して直列に接続された複数の減流回路４１を含む。複数の減流回路４１の各々は、相互に並列に接続された充電抵抗素子４２と短絡リレー４３とで構成される。充電抵抗素子４２の抵抗値は、例えば全て同一である。なお、複数の充電抵抗素子４２の抵抗値は、必ずしも同一である必要はない。制御装置２５が、メインリレー２１、及び複数の短絡リレー４３のオンオフを制御する。

図６に、本実施例による突入電流低減回路において平滑コンデンサ３０（図５）のプリチャージを行うときのフローチャートを示す。プリチャージを行う前には、メインリレー２１及びすべての短絡リレー４３がオフである。プリチャージを行うときに、制御装置２５がメインリレー２１をオンにする（ステップＳＤ１）。これにより、直列接続された２つの充電抵抗素子４２を介して平滑コンデンサ３０に充電電流が流れ始める。

その後、所定の時間が経過するまで待機する（ステップＳＤ２）。所定の待機時間が経過すると、１つの短絡リレー４３をオンにする（ステップＳＤ３）。

制御装置２５は、平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達したか否かを判定する（ステップＳＤ４）。平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達していない場合には、基準値に達するまで充電を継続する。平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達したら、残りの短絡リレー４３をオンにする（ステップＳＤ５）。これにより、平滑コンデンサ３０の充電回路の抵抗成分がほぼ０になる。なお、ステップＳＤ３で１つの短絡リレー４３をオンにした後、所定の時間が経過した時点で、残りの短絡リレー４３をオン（ステップＳＤ５）にしてもよい。

次に、本実施例による突入電流低減回路の優れた効果について説明する。本実施例では、メインリレー２１をオンにするとき（ステップＳＤ１）、充電回路に２つの充電抵抗素子４２が直列に挿入されている。このため、突入電流を低減することができる。１つの短絡リレー４３をオンにすると（ステップＳＤ３）、平滑コンデンサ３０の充電回路の抵抗成分が１／２倍になる。これにより、充電電流の減少の時定数も１／２倍に短くなるため、プリチャージの所要時間を短くすることができる。

１つの短絡リレー４３をオンにするとき（ステップＳＤ３）、平滑コンデンサ３０の充電が進んでいるため、平滑コンデンサ３０が全く充電されていない場合に比べて、ステップＳＤ３でオンにされる短絡リレー４３に流れる突入電流を低減することができる。

図５に示した実施例では、減流回路４１の個数を２つにしたが、３個以上の減流回路４１を直列に接続してもよい。この場合には、平滑コンデンサ３０のプリチャージ時に、メインリレー２１をオンにし、その後、複数の短絡リレー４３を、タイミングをずらしながら順番にオンにすればよい。平滑コンデンサ３０に加わる電圧が基準値に達したら、最後の短絡リレー４３をオンにすればよい。

また、メインリレー２１と複数の減流回路４１とは、１つのまとまりを持つリレー群として構成する必要はない。メインリレー２１の代わりに、平滑コンデンサ３０の充電回路に直流電源５０が接続されていない状態と、接続されている状態とを切り替えるスイッチを、いずれかの箇所に設けてもよい。

上記実施例による突入電流低減回路は、直流電源によってプリチャージされるコンデンサを含む種々の装置に適用することができる。例えば、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、電源回生コンバータ、双方向コンバータ等のＤＣ／ＤＣコンバータに適用することができる。

次に、図７を参照して、さらに他の実施例による電力変換装置について説明する。本実施例による電力変換装置においては、図１〜図６に示した実施例による突入電流低減回路がＤＣ／ＤＣコンバータに採用されている。

図７に、本実施例による電力変換装置の等価回路図を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ６５の一方の一次側ノードＰ１が直流電源６０に接続され、他方の一次側ノードＮ１がグランドＧＮＤに接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６５の二次側ノードＰ２、Ｎ２がインバータ７０に接続されている。一方の二次側ノードＮ２は、グランドＧＮＤに接続されている。インバータ７０は電動発電機７１を駆動する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６５は、直流電源６０の出力電圧を昇圧して、インバータ７０に電力を供給する。または、ＤＣ／ＤＣコンバータ６５は、インバータ７０からの回生電力を直流電源６０に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６５は、リアクトルＬ、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ１、及び平滑コンデンサＣを含む。平滑コンデンサＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６５の二次側ノードＰ２とＮ２との間に接続されており、二次側ノードＰ２、Ｎ２間の電圧を平滑化する。

一次側ノードＰ１が、リアクトルＬ及びスイッチング素子Ｑ１を介して二次側ノードＰ２に接続されるとともに、リアクトルＬ及びスイッチング素子Ｑ２を介してグランドＧＮＤに接続される。スイッチング素子Ｑ１及びＱ２に、それぞれフリーホイールダイオードＤ１及びＤ２が接続されている。一次側ノードＰ１と二次側ノードＰ２との間に保護ダイオードＤ３が接続されており、一次側ノードＰ１とグランドＧＮＤとの間に保護ダイオードＤ４が接続されている。

制御装置６２が、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ制御を行う。電動発電機７１の力行運転時には、スイッチング素子Ｑ２をスイッチングすることにより、直流電源６０からインバータ７０に電力を供給する。電動発電機７１の回生運転時には、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングすることにより、回生電力を直流電源６０に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６５の一次側ノードＰ１と直流電源６０との間に、突入電流低減回路６１が挿入されている。突入電流低減回路６１には、図１〜図６に示した種々の実施例による突入電流低減回路を用いることができる。本実施例の平滑コンデンサＣが、図１及び図５に示した実施例の平滑コンデンサ３０に相当する。

平滑コンデンサＣのプリチャージ時に、直流電源６０から保護ダイオードＤ３を含む経路を通して、平滑コンデンサ３０に突入電流が流れる。

本実施例においては、突入電流低減回路６１として上述の実施例による突入電流低減回路が用いられている。このため、平滑コンデンサＣのプリチャージの所要時間の増大を抑制し、突入電流低減回路に用いられているリレーの損傷を低減することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１１ 入力ノード
２１ メインリレー
２２ 分流回路
２３ 充電抵抗素子
２４ プリチャージ用リレー
２５ 制御装置
３０ 平滑コンデンサ
３１ 電圧センサ
３５ 負荷
４１ 減流回路
４２ 充電抵抗素子
４３ 短絡リレー
５０ 直流電源
６０ 直流電源
６１ 突入電流低減回路
６２ 制御装置
６５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７０ インバータ
７１ 電動発電機
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ フリーホイールダイオード
Ｄ３、Ｄ４ 保護ダイオード
Ｌ リアクトル
Ｐ１、Ｎ１ 一次側ノード
Ｐ２、Ｎ２ 二次側ノード
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子

Claims (3)

1. コンデンサと直流電源との間に挿入される突入電流低減回路であって、
   前記直流電源と前記コンデンサとを接続するメインリレーに対して並列に接続された複数の分流回路であって、前記複数の分流回路の各々は、相互に直列接続された充電抵抗素子とプリチャージ用リレーとで構成される前記複数の分流回路
   を有し、
   前記コンデンサのプリチャージ時に、複数の前記プリチャージ用リレーは、制御装置によってタイミングをずらして順番にオンにされ、
   複数の前記プリチャージ用リレーは、制御装置によってオンにされる順番が変わる突入電流低減回路。
2. 複数の前記プリチャージ用リレーは、前回のプリチャージ時に最初にオンにされたプリチャージ用リレーとは異なるプリチャージ用リレーが、前記制御装置によってオンにされる請求項１に記載の突入電流低減回路。
3. コンデンサと直流電源との間に接続されるＤＣＤＣコンバータと、
   前記直流電源と前記ＤＣＤＣコンバータとを接続するメインリレーと、
   突入電流低減回路と
   を有し、
   前記突入電流低減回路は、前記メインリレーに対して並列に接続された複数の分流回路を有し、前記複数の分流回路の各々は、相互に直列接続された充電抵抗素子とプリチャージ用リレーとで構成されており、
   前記コンデンサのプリチャージ時に、複数の前記プリチャージ用リレーは、制御装置によってタイミングをずらして順番にオンにされ、
   複数の前記プリチャージ用リレーは、制御装置によってオンにされる順番が変わる電力変換装置。
   

Images