(57)【要約】【課題】放電抵抗の温度が定格温度を越えるのを防止できるコンデンサの電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換回路21は、直流電力を中性線28、第１の電圧線29、第２の電圧線30を含む単相３線出力の交流電力に変換する。電力変換回路21は、中性線28と第１の電圧線29との間に接続される第１のコンデンサC1、中性線28と第２の電圧線30との間に接続される第２のコンデンサC2、第１のコンデンサC1に並列に接続される第１の放電抵抗R1、および第２のコンデンサC2に並列に接続される第２の放電抵抗R2を有する。第１の放電抵抗R1と第２の放電抵抗R2との抵抗値は異なる。バランス回路23は、第１のコンデンサC1に並列に接続される第１のスイッチング素子Q9、および第２のコンデンサC2に並列に接続される第２のスイッチング素子Q10を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を中性線、第１の電圧線、第２の電圧線を含む単相３線出力の交流電力に変換するものであって、前記中性線と前記第１の電圧線との間に接続される第１のコンデンサ、前記中性線と前記第２の電圧線との間に接続される第２のコンデンサ、前記第１のコンデンサに並列に接続される第１の放電抵抗、および前記第２のコンデンサに並列に接続される第２の放電抵抗を有し、前記第１の放電抵抗と前記第２の放電抵抗との抵抗値が異なる電力変換回路と；
前記第１のコンデンサに並列に接続される第１のスイッチング素子、および前記第２のコンデンサに並列に接続される第２のスイッチング素子を有するバランス回路と；
を具備することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換を行う電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電力を中性線、第１の電圧線、第２の電圧線を含む単相３線出力の交流電力に変換する電力変換回路を備えた電力変換装置がある。
【０００３】
電力変換回路では、中性線と第１の電圧線との間に第１のコンデンサが接続され、中性線と第２の電圧線との間に第２のコンデンサが接続され、中性線に対して中間的な電圧を生成している。
【０００４】
このような電気機器では、電源切断時に、所定時間内に内部電圧が所定電圧以下にならなければならないため、容量の大きいコンデンサには放電抵抗を並列に接続することがある。
【０００５】
そのため、電力変換装置においては、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサにそれぞれ放電抵抗が並列に接続される。放電抵抗は、所定時間内にコンデンサの電位を放電させるために抵抗値を小さくするため、発熱量が大きく、温度が高くなりやすい。
【０００６】
電力変換装置に用いられる部品の制約の中では、放電抵抗の放熱性能を向上させることが難しく、また、電力変換回路の配置や各部品の位置などの外的要因によって温度分布が発生し、一方の放電抵抗の温度が高くなり、定格温度を越える虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−７９１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、放電抵抗の温度が定格温度を越えるのを防止できるコンデンサの電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の電力変換装置は、電力変換回路およびバランス回路を備える。電力変換回路は、直流電力を中性線、第１の電圧線、第２の電圧線を含む単相３線出力の交流電力に変換する。電力変換回路は、中性線と第１の電圧線との間に接続される第１のコンデンサ、中性線と第２の電圧線との間に接続される第２のコンデンサ、第１のコンデンサに並列に接続される第１の放電抵抗、および第２のコンデンサに並列に接続される第２の放電抵抗を有する。第１の放電抵抗と第２の放電抵抗との抵抗値は異なる。バランス回路は、第１のコンデンサに並列に接続される第１のスイッチング素子、および第２のコンデンサに並列に接続される第２のスイッチング素子を有する。
【発明の効果】
【００１０】
実施形態の電力変換装置によれば、放電抵抗の温度が定格温度を越えるのを防止することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態を示す電力変換装置の回路図である。
【図２】同上電力変換装置のコンデンサ基板の正面図である。
【図３】同上電力変換装置を用いる蓄電池システム本体の正面図である。
【図４】同上電力変換装置を用いる電力変換装置本体の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
電力変換装置は、例えば、蓄電池と組み合わされて住宅などに設置される蓄電システムに用いられる。この場合、電力変換装置は、充電時に例えば系統電源の交流電力を直流電源に変換して蓄電池を充電し、停電時などの自立運転時（単相３線出力時）に蓄電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するように構成されている。
【００１４】
図３には、電力変換装置10と蓄電池11とが同じ筐体12内に配置された一体形の蓄電池システム本体13を示す。また、図４には、電力変換装置10のみが筐体12内に配置された単体形の電力変換装置本体（パワーコンディショナー）14を示す。単体形の電力変換装置本体14の場合には、蓄電池11を備えた蓄電池装置15と組み合わせて使用される。
【００１５】
そして、図１に電力変換装置10の回路図を示す。
【００１６】
電力変換装置10は、直流電源である蓄電池11と系統電源である交流電源20との間に接続されて電力変換を行う電力変換回路21、単相３線出力に対応するコンデンサ回路22およびバランス回路23、これら電力変換回路21およびバランス回路23を制御する制御部24などを備えている。
【００１７】
電力変換回路21は、直流電圧を昇圧または降圧するチョッパ回路25、および直流電力を交流電力に変換または交流電力を直流電力に変換するインバータ回路26を備えている。
【００１８】
チョッパ回路25は、自立運転時（単相３線出力時）に蓄電池11から放電される直流電圧を昇圧し、充電時にインバータ回路26から供給される直流電圧を蓄電池11を充電する充電用電圧に降圧する。
【００１９】
チョッパ回路25は、回路中の直流電位の高電位側と低電位側との間に並列に接続されるチョッパ用スイッチング素子Q1，Q2の直列回路とチョッパ用スイッチング素子Q3，Q4の直列回路とを備えている。
【００２０】
これらチョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4には、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられている。チョッパ用スイッチング素子Q1，Q3のドレインが高電位側に接続され、チョッパ用スイッチング素子Q2，Q4のソースが低電位側に接続され、チョッパ用スイッチング素子Q1，Q3のソースとチョッパ用スイッチング素子Q2，Q4のドレインとが接続されている。
【００２１】
チョッパ用スイッチング素子Q1，Q2の直列回路の中点と蓄電池11の正極とがインダクタL1を介して接続され、チョッパ用スイッチング素子Q3，Q4の直列回路の中点と蓄電池11の正極とがインダクタL2を介して接続されている。
【００２２】
チョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4の内部には寄生ダイオードD1，D2，D3，D4がそれぞれ形成される。寄生ダイオードD1，D2，D3，D4のカソードはチョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4のドレインに接続され、寄生ダイオードD1，D2，D3，D4のアノードはチョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4のソースに接続され、したがって、寄生ダイオードD1，D2，D3，D4はチョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4に逆並列に接続されている。
【００２３】
そして、チョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4は、直流電圧を昇圧または降圧する電力変換を行う電力変換用スイッチング素子27である。
【００２４】
インバータ回路26は、自立運転時（単相３線出力時）に直流電力をＮ相である中性線28、L1相である第１の電圧線29、L2相である第２の電圧線30を含む単相３線出力の交流電力に変換し、充電時に系統電源などの単相３線の交流電力を直流電力に変換する。
【００２５】
インバータ回路26は、直流電位の高電位側と低電位側との間に並列に接続されるインバータ用スイッチング素子Q5，Q6の直列回路とインバータ用スイッチング素子Q7，Q8の直列回路とを備えている。
【００２６】
これらインバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8には、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられている。インバータ用スイッチング素子Q5，Q7のドレインが高電位側に接続され、インバータ用スイッチング素子Q6，Q8のソースが低電位側に接続され、インバータ用スイッチング素子Q5，Q7のソースとインバータ用スイッチング素子Q6，Q8のドレインとが接続されている。
【００２７】
インバータ用スイッチング素子Q5，Q6の直列回路の中点にインダクタL3および第１の電圧線29に接続され、チョッパ用スイッチング素子Q3，Q4の直列回路の中点にインダクタL4および第２の電圧線30が接続されている。
【００２８】
インバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8の内部には寄生ダイオードD5，D6，D7，D8がそれぞれ形成される。寄生ダイオードD5，D6，D7，D8のカソードはインバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8のドレインに接続され、寄生ダイオードD5，D6，D7，D8のアノードはインバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8のソースに接続され、したがって、寄生ダイオードD5，D6，D7，D8はインバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8に逆並列に接続されている。
【００２９】
そして、インバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8は、直流電力を交流電力に変換または交流電力を直流電力に変換する電力変換を行う電力変換用スイッチング素子27である。
【００３０】
また、コンデンサ回路22は、チョッパ回路25とインバータ回路26との間に設けられている。コンデンサ回路22は、直流電位の高電位側と低電位側との間に並列に接続された第１のコンデサC1および第２のコンデンサC2の直列回路と第３のコンデンサC3とを備えている。
【００３１】
コンデサC1，C2の中点が中性線28に接続されている。したがって、中性線28と第１の電圧線29との間にその間の電圧を平滑する第１のコンデンサC1が接続され、中性線28と第２の電圧線30との間にその間の電圧を平滑する第２のコンデンサC2が接続されている。
【００３２】
第１のコンデンサC1には第１の放電抵抗R1が並列に接続され、第２のコンデンサC2には第２の放電抵抗R2が並列に接続されている。
【００３３】
コンデサC1，C2には同じ容量値のものが用いられている。放電抵抗R1，R2には抵抗値が異なるものが用いられ、つまり第１の放電抵抗R1と第２の放電抵抗R2とは抵抗値が異なっている。
【００３４】
また、バランス回路23は、チョッパ回路25とコンデンサ回路22との間に設けられている。バランス回路23は、直流電位の高電位側と低電位側との間に直列に接続されるバランス用スイッチング素子である第１のスイッチング素子Q9および第２のスイッチング素子Q10を備えている。
【００３５】
これらスイッチング素子Q9，Q10には、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられている。第１のスイッチング素子Q9のドレインが高電位側に接続され、第２のスイッチング素子Q10のソースが低電位側に接続され、第１のスイッチング素子Q9のソースと第２のスイッチング素子Q10のドレインとが接続されている。
【００３６】
スイッチング素子Q9，Q10の中点にインダクタL5を介してコンデサC1，C2の中点に接続されている。
【００３７】
スイッチング素子Q9，Q10の内部には寄生ダイオードD9，D10がそれぞれ形成される。寄生ダイオードD9，D10のカソードはスイッチング素子Q9，Q10のドレインに接続され、寄生ダイオードD9，D10のアノードはスイッチング素子Q9，Q10のソースに接続され、したがって、寄生ダイオードD9，D10はスイッチング素子Q9，Q10に逆並列に接続されている。
【００３８】
また、制御部24は、チョッパ回路25のチョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4のゲートに接続され、チョッパ用スイッチング素子Q1，Q2，Q3，Q4をオンオフ制御して直流電圧を昇圧または降圧させる。なお、制御部24と各スイッチング素子Q1〜Q10のゲートとの接続線は図示を省略している。
【００３９】
制御部24は、インバータ回路26のインバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8のゲートに接続され、インバータ用スイッチング素子Q5，Q6，Q7，Q8をオンオフ制御して直流電力を交流電力に変換または交流電力を直流電力に変換する。
【００４０】
制御部24は、バランス回路23のスイッチング素子Q9，Q10のゲートに接続され、スイッチング素子Q9，Q10をオンオフ制御して中性線28と第１の電圧線29との間の電圧と中性線28と第２の電圧線30との間とのバランスを調整する。すなわち、制御部24は、第１のコンデサC1の電圧と第２のコンデンサC2の電圧のうちの大きい方から電荷を放電させるようにスイッチング素子Q9，Q10を制御することにより、第１のコンデサC1の電圧と第２のコンデンサC2の電圧を同じ値に保つように構成されている。
【００４１】
また、電力変換装置10は、電力変換回路21および制御部24を設けた電力変換基板、コンデンサ回路22を設けたコンデンサ基板、およびバランス回路23を設けたバランス基板などを備え、これら基板が互いに電気的に接続されて構成されている。
【００４２】
図２にはコンデンサ回路22を設けたコンデンサ基板34の正面図を示す。コンデンサ基板34は、例えば、筐体12内に配置された際に基板面が立てた状態とされ、基板面に上下が存在する。コンデンサ基板34の基板面には、基板面の一側に複数個で構成される第３のコンデンサC3が実装され、この第３のコンデンサC3の他側であって基板面の上部側に複数個で構成される第１のコンデンサC1が実装され、この第１のコンデンサC1の下方であって基板面の下部側に複数個で構成される第２のコンデンサC2が実装されている。
【００４３】
第１の放電抵抗R1は、第１のコンデンサC1の近傍で、第１のコンデンサC1と第３のコンデンサC3との間となる基板面の上部側に実装されている。第２の放電抵抗R2は、第２のコンデンサC2の近傍で、第２のコンデンサC2の下方となる基板面の下部側に実装されている。
【００４４】
放電抵抗R1，R2は、電力変換装置10の電源切断時に、所定時間内にコンデンサC1，C2の電位を放電させるように抵抗値が設定されており、放電時の発熱量が大きく、温度が高くなりやすい。放電抵抗R1，R2は、抵抗値が小さいほど、流れる電流が大きく、発熱量が増大する。
【００４５】
図２に示すコンデンサ基板34である場合、第１の放電抵抗R1は、熱が上方に逃げやすく、放熱性がよく、温度上昇を抑制できる。それに対して、第２の放電抵抗R2は、上方に第２のコンデンサC2が位置するために熱が上方に逃げ難く、第１の放電抵抗R1に比べて放熱性が低く、温度が高くなりやすい。このように、放電抵抗R1，R2は、同じコンデンサ基板34に実装されていても、温度分布が発生する。
【００４６】
そこで、放熱性のよい第１の放電抵抗R1の抵抗値が小さく、この第１の放電抵抗R1よりも放熱性が低い第２の放電抵抗R2の抵抗値が大きくなるように、抵抗値が異なるように設定される。これにより、放電時に、第１の放電抵抗R1の発熱量が大きく、この第１の放電抵抗R1よりも第２の放電抵抗R2の発熱量が小さくなる。
【００４７】
なお、図２に示すコンデンサ基板34の配置は一例であり、例えば、コンデンサ基板34が水平に配置される場合でも、周囲に配置される各部品などの外的要因によって温度分布が発生し、第１の放電抵抗R1と第２の放電抵抗R2との放熱性に差が生じることがある。
【００４８】
そして、電力変換装置10は、充電時に、系統電源から供給される交流電力を使用して蓄電池11を充電する。
【００４９】
系統電源から入力する交流電力をインバータ回路26によって例えば３５０Ｖなどの電圧の直流電力に変換する。この変換された直流電力をコンデンサC1，C2，C3に蓄積して平滑する。この平滑された直流電力の直流電圧をチョッパ回路25によって所定の充電用電圧に降圧する。この降圧された直流電圧用の直流電力によって蓄電池11を蓄電する。
【００５０】
また、電力変換装置10は、停電時などに、蓄電池11に蓄電された直流電力を使用して単相３線出力する自立運転を行う。
【００５１】
蓄電池11から放電される直流電力の電圧をチョッパ回路25によって例えば３５０Ｖなどの所定電圧に昇圧する。この昇圧された直流電力をコンデンサC1，C2，C3に蓄積して平滑する。平滑された直流電力をインバータ回路26によって第１の電圧線29と第２の電圧線30の間の電圧が２００Ｖの交流電力となるように変換する。
【００５２】
コンデンサC1，C2の中点が単相３線出力のＮ相である中性線28に接続されているが、第１のコンデンサC1の電圧と第２のコンデンサC2の電圧とが同じ電圧となるように、つまり、コンデンサC1，C2の中点と高電位側との間の電圧Vdc1と、コンデンサC1，C2の中点と低電位側との間の電圧Vdc2とが同じ電圧となるように、バランス回路23によって調整する。
【００５３】
バランス回路23では、第１のコンデサC1の電圧（Vdc1）と第２のコンデンサC2の電圧（Vdc2）のうちの大きい方から電荷を放電させるようにスイッチング素子Q9，Q10のオンオフを制御し、第１のコンデサC1の電圧（Vdc1）と第２のコンデンサC2の電圧（Vdc2）を同じ値に保つ。これにより、単相３線出力の中性線28と第１電圧線29との間の電圧Vac1と、中性線28と第２の電圧線30との間の電圧Vac2とを同じ値に保つ。
【００５４】
また、例えば、電力変換装置10のメンテナンスの際には、電力変換装置10を蓄電池11および系統電源から切り離して電力変換装置10の電源を切断し、電力変換装置10をメンテナンスする。この場合、所定時間内に内部電圧が所定電圧以下にする。
【００５５】
電力変換装置10の電源が切断されると、コンデンサC1，C2，C3に蓄えられていた電荷が放電抵抗R1，R2によって放電される。
【００５６】
放電時には、放電抵抗R1，R2が発熱する。このとき、周囲に配置される各部品などの外的要因によって温度分布が発生し、第１の放電抵抗R1と第２の放電抵抗R2との放熱性に差が生じることがある。
【００５７】
例えば、図２に示すコンデンサ基板34である場合、第１の放電抵抗R1は、熱が上方に逃げやすく、放熱性がよいのに対して、第２の放電抵抗R2は、上方に第２のコンデンサC2が位置するために熱が上方に逃げ難く、第１の放電抵抗R1に比べて放熱性が低い。
【００５８】
通常、第１の放電抵抗R1と第２の放電抵抗R2の抵抗値は同じ値に設定される。
【００５９】
それに対して、本実施形態では、放熱性のよい第１の放電抵抗R1の抵抗値が小さく、この第１の放電抵抗R1よりも放熱性が低い第２の放電抵抗R2の抵抗値が大きくなるように、抵抗値が異なるように設定される。
【００６０】
これにより、放電時に、放熱性のよい第１の放電抵抗R1からの発熱量が大きく、この第１の放電抵抗R1よりも放熱性の低い第２の放電抵抗R2の発熱量が小さくなる。そのため、第１の放電抵抗R1は、発熱量が大きくしても、放熱性のよいため、温度上昇を抑制することができ、また、第２の放電抵抗R2は、放熱性が低くても、発熱量を小さくすることにより、温度上昇を抑制することができる。したがって、放電抵抗R1，R2の温度が定格温度を越えるのを防止できる。
【００６１】
このように、本実施形態の電力変換装置10では、第１の放電抵抗R1と第２の放電抵抗R2との抵抗値が異ならせることにより、電源切断時に放電抵抗R1，R2によって所定時間内に内部電圧を所定電圧以下にしながら、放電抵抗R1，R2の温度が定格温度を越えるのを防止できる。
【００６２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
10    電力変換装置
21    電力変換回路
23    バランス回路
28    中性線
29    第１の電圧線
30    第２の電圧線
C1    第１のコンデンサ
C2    第２のコンデンサ
Q9    第１のスイッチング素子
Q10   第２のスイッチング素子
R1    第１の放電抵抗
R2    第２の放電抵抗
【図１】
2020058091.tif 000003
【図２】
2020058091.tif 000004
【図３】
2020058091.tif 000005
【図４】
2020058091.tif 000006