(57)【要約】【課題】第１インバータがパルス幅制御による波形成形時には、出力リアクトルにおける損失をゼロにして、高効率の電力変換装置を提供する。【解決手段】第２インバータ１５を６個のスイッチング素子による３アームで構成し、第１インバータ１２と第２インバータ１５がそれぞれ出力電流の波形成形を分担するに当たり、第２インバータ１５がスイッチング動作する２アームを選択することで、出力リアクトル２７における損失を最小にする。【選択図】図１
2006115626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスと、前記高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と並列に接続された平滑コンデンサと第１スイッチング素子と第１スイッチング素子のオフ時にコレクタ電圧を共振させる共振コンデンサとを配置した第１インバータと、前記高周波トランスの２次側に整流手段と、２個のスイッチング素子を直列接続してなる３組のアームと、アームと並列に接続したフィルタコンデンサとからなる第２インバータと、系統とで構成された系統連系インバータにおいて、第１アームと第２アームを系統とそれぞれ直接接続し、第３アームを系統との間に出力リアクトルを介して接続した電力変換装置。
【請求項２】
第１インバータが変調動作して正弦波電流を生成する時は、第１アームと第２アームは商用周期でスイッチングし、第３アームは動作を停止する請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
第１インバータの導通時間が一定の期間は、第１アームの動作を停止し、第２アームが商用周期でスイッチングし、第３アームが高周波スイッチングして、正弦波状の出力電流波形を生成する請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
第１インバータの導通時間が一定の期間は、第３アームと第１インバータの動作周波数を一致させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
第１スイッチング素子のコレクタ電流検知手段を有し、ターンオンのタイミングにおいて、コレクタ電流がゼロなったことを検知して、第１インバータ制御回路が第１スイッチング素子の導通時間を一定にする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
第３アームを構成するスイッチング素子と並列にそれぞれ第２共振コンデンサと第３共振コンデンサを接続する請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
第２インバータのフィルタコンデンサを、第１アーム及び第２アームと比較して、第３アームに最も近づけて配置した請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流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。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種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、スイッチング素子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インバータが商用２倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの２次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの２次側に配置した第２インバータ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ている高効率な電力変換装置があった（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、従来使用している電力変換装置の構成を示す接続図であり、図８は動作を説明する波形図である。第１インバータ２が直流電源１の電力を高周波電力に変換する。これは、第１インバータ２のスイッチング素子８がオンオフを繰り返すことにより実現されるものである。通常、スイッチング素子８がターンオフする際、コレクタ−エミッタ間に流れる電流が遮断されるため、高周波トランス３に蓄積された励磁エネルギーを共振コンデンサ７との間で充放電することで、スイッチング素子８のコレクタ−エミッタ電圧は図８に示すように共振波形となる。つぎに、コレクタ−エミッタ電圧がゼロとなりスイッチング素子８に逆並列で接続されたダイオードに電流が流れている期間にスイッチング素子８をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングを実現している。第１インバータは力率１で出力電流を系統に注入するために、系統電圧のピーク付近ではスイッチング素子８の導通時間を大きく、ゼロ近傍では導通時間を小さくする連続的なパルス幅の変調を行う。特に系統電圧の絶対値が小さく第１インバータ２を構成するスイッチング素子８の導通時間を絞る時は、高周波トランス３の励磁エネルギーが小さいことからスイッチング素子８のコレクタ−エミッタ電圧の振幅も小さくなり、ゼロ電圧に到達しないため逆並列ダイオードが導通せずスイッチング素子８のゼロ電圧スイッチング動作が維持できなくなる。その場合、残留するコレクタ−エミッタ電圧を短絡する動作が必要となり、スイッチング損失が大幅に増加する。そこで第１スイッチング素子８の導通時間に下限を設けて、高周波トランス３の２次側に配置した第２インバータ５をパルス幅変調動作させることにより、電力変換装置は系統電圧の全領域で正弦波出力電流を生成している。
【特許文献１】特開２０００−３２７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前記従来の構成では、特に第１インバータがパルス幅変調を行う時、第２インバータは極性切換動作しているため、出力リアクトルは波形成形のために活用されていない。しかしながら系統への出力電流は第２インバータのスイッチング動作に関わらず、常時、出力リアクトルを通過していることから、導通損失が発生するため、装置の効率ダウンを引き起こしていた。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、第１インバータがパルス幅制御による波形成形時には、出力リアクトルにおける損失をゼロにして、高効率の電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、第２インバータを６個のスイッチング素子による３アームで構成し、第１インバータと第２インバータがそれぞれ出力電流の波形成形を分担するに当たり、第２インバータがスイッチング動作する２アームを選択することで、出力リアクトルにおける損失を最小にするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、第２インバータを構成する３アームの動作を、２アームは極性切換、残りの１アームは高周波スイッチングとして、第１インバータがパルス幅変調する時は極性切換用の２アームを駆動し、第２インバータが波形成形する時は極性切換用の１アームと高周波スイッチング用の１アームを駆動することで、出力にインダクタンスが必要な時だけ、出力リアクトルに電流が通過する高効率の電力変換装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と並列に接続された平滑コンデンサと第１スイッチング素子と第１スイッチング素子のオフ時にコレクタ電圧を共振させる第１共振コンデンサとを配置した第１インバータと、高周波トランスの２次側に整流手段と、２個のスイッチング素子を直列接続してなる３組のアームと、アームと並列に接続したフィルタコンデンサとからなる第２インバータと、系統とで構成された系統連系インバータにおいて、第１アームと第２アームを系統とそれぞれ直接接続し、第３アームを系統との間に出力リアクトルを介して接続することで、第２インバータが極性切換スイッチングと高周波スイッチングの２つの切換動作を容易に実現することができる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明において、第１インバータが変調動作して正弦波電流を生成する時は、第２アームと第３アームが商用周期で動作し、第１アームは動作を停止することで、出力電流が出力リアクトルを通過することのない低損失化構成を実現することができる。
【００１０】
第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明において、第１インバータの導通時間が一定の期間は、第２アームの動作を停止し、第３アームが商用周期でスイッチングし、第１アームが高周波スイッチングすることで、正弦波状の出力電流波形を生成することができる。
【００１１】
第４の発明は、特に、第１〜３の発明のいずれかの発明において、第１インバータの導通時間が一定の期間は、高周波スイッチング動作を行う第３アームと第１インバータの動作周波数を一致させることで、２つのインバータによる干渉音を低減する低騒音の装置を実現することができる。
【００１２】
第５の発明は、特に、第１〜４の発明のいずれかの発明において、第１スイッチング素子のコレクタ電流検知手段を有し、ターンオンのタイミングにおいて、コレクタ電流がゼロなったことを検知して、第１インバータ制御回路が第１スイッチング素子の導通時間を一定にすることで、第１スイッチング素子のスイッチング損失を最小にできるため、高効率の電力変換装置を実現することができる。
【００１３】
第６の発明は、特に、第１〜５の発明のいずれかの発明において、第３アームを構成するスイッチング素子と並列にそれぞれ第２共振コンデンサと第３共振コンデンサを接続することで、第３アームを構成する２個のスイッチング素子のゼロ電圧スイッチングを実現して、高効率の電力変換装置とすることができる。
【００１４】
第７の発明は、特に、第１〜６の発明のいずれかの発明において、第２インバータのフィルタコンデンサを、第１アーム及び第２アームと比較して、第３アームに最も近づけて配置することで、配線のインダクタンスが最小となり、スイッチング時のサージ電圧を抑えられるため、第３アームを構成するスイッチング素子の定格を最小にすることができる。
【００１５】
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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
（実施の形態１）
本実施の形態は請求項１、２、３、４に係わる。図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００１７】
図１において、直流電源１１で発電した直流電力は、高周波トランス１３と、スイッチング素子１４と共振コンデンサ１７を含む第１インバータ１２とで、高周波電力に変換されて２次側へ電力伝達される。高周波トランス１３の２次側には限流リアクトル１９とダイオード２０とで構成された整流手段１４が配置され、その正弦波状の全波整流形の出力と系統１６との間には、フィルタコンデンサ２１とＱ１〜Ｑ６からなる６個のスイッチング素子と出力リアクトル２７とコンデンサとで構成された第２インバータ１５が接続されている。第２インバータ駆動手段２２は、Ｑ１、Ｑ４とＱ２、Ｑ３とＱ５、Ｑ６の組み合わせで、それぞれが交互にオンオフして、系統１６に正弦波状の出力電流を生成している。
【００１８】
以上のように構成された電力変換装置について、図２を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００１９】
系統電圧が大きい時は、第１スイッチング素子１８がパルス幅変調を行い、出力電流を正弦波状に波形成形する。ここで、第２インバータ１５は第１アームを構成するＱ１、Ｑ２と第２アームを構成するＱ５、Ｑ６とが、それぞれ系統の商用周期で低周波スイッチングを行い、第３アームを構成するＱ３、Ｑ４は動作を停止する。これにより出力電流は出力リアクトル２７を通過せずに系統に注入される。一方、系統電圧が小さい場合は、第１スイッチング素子１８がゼロ電圧スイッチング動作を維持できる最小の導通時間で、第１インバータ１２は高周波スイッチング動作する。ここで第２インバータ１５は、第１アームが動作を停止し、第２アームが商用周期で動作するが、第３アームは高周波でパルス幅変調することにより、出力リアクトル２７による限流効果を活用して、系統電圧の谷間における正弦波状の出力電流波形を生成している。それぞれのアームを通過する電流は系統に注入する直前で合流し、商用周期の全領域で正弦波が生成される。この時は第１インバータ１２も高周波で動作しているが、その動作周波数を第２インバータ１５の周波数と一致させることで、２つのインバータ間の周波数差による干渉音を概ねゼロとしている。
【００２０】
以上のように、本実施例の形態において第２インバータを３アーム構成として、出力電流を正弦波状に生成する上で系統との間にインダクタンスが必要となる時だけ、１アームを高周波スイッチング動作させることで、２アーム構成の時に第１インバータの変調動作中、常時通過していた出力リアクトル電流の最小化を図り、低損失化による高効率な電力変換装置を実現することができる。
【００２１】
（実施の形態２）
本実施の形態は請求項５に係わる。図３は、本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００２２】
図３において、図１の回路構成と異なるのは、第１スイッチング素子のコレクタにコレクタ電流検知手段２３を配置し、この出力で第１インバータ制御手段が第１スイッチング素子の導通時間を一定に制御するようにした点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００２３】
以上のように構成された電力変換装置について図４を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００２４】
第１インバータ１２は力率１で出力電流を系統１６に注入するために、系統電圧のピーク付近では第１スイッチング素子１８の導通時間を大きく、ゼロ近傍では導通時間を小さくする連続的なパルス幅の変調を行う。系統電圧の絶対値が大きい場合、第１スイッチング素子１８の導通時間が大きいときは、高周波トランス１３の励磁エネルギーも大きいことからスイッチング素子１８のコレクタ−エミッタ電圧の振幅が大きくなり、第１スイッチング素子１８と並列に配置された逆導通ダイオードがオンすることで、ゼロ電圧スイッチングを実現している。一方、系統電圧が小さくなると共に導通時間を小さくすると、コレクタ−エミッタ電圧の振幅が小さくなり、逆導通ダイオードに流れる電流が小さくなっていき、ゼロ電流に近づく。そこで、コレクタ電流検知手段２３はターンオン時のコレクタを通過する電流がゼロに到達したことを検知して、第１インバータ制御手段２４が導通時間を一定に制御する。
【００２５】
以上のように、本実施の形態において、第１スイッチング素子に短絡電流が流れないように第１インバータを制御することで、スイッチング損失の増大を防止して、高効率の電力変換装置を実現することができる。
【００２６】
（実施の形態３）
本実施の形態は請求項６に係わる。図５は、本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００２７】
図５において、図３の回路構成と異なるのは、第３アームを構成する２個のスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に第２共振コンデンサ２４と第３共振コンデンサ２５とをそれぞれ接続し、ゼロ電圧スイッチングするようにした点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００２８】
以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作を説明する。
【００２９】
系統電圧が小さく、第２インバータ１５の第２アームが極性切換、第３アームが高周波でスイッチングして正弦波状の出力電流を生成する場合において、第２アームを構成する２個のスイッチング素子の一方、例えばＱ３がターンオフする際、第２インバータの構成要素である出力リアクトル２７と、系統１６と、Ｑ４に並列に接続された逆導通ダイオードとのループによって、Ｑ４のコレクタ−エミッタ間電圧が放電されるため、Ｑ３コレクタ電圧は漸増し、Ｑ４コレクタ電圧は漸減する。ここでコレクタ電圧がゼロに到達し、Ｑ４に並列に配置した逆導通ダイオードが導通した状態でＱ４をターンオンすることにより、Ｑ３、Ｑ４共にゼロ電圧スイッチング動作となる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態においては第３アームを構成するスイッチング素子と並列にそれぞれ第２共振コンデンサ２４と第３共振コンデンサ２５を接続することで、ゼロ電圧スイッチングを実現して、低損失化を実現することができる。
【００３１】
（実施の形態４）
本実施の形態は請求項７に係わる。図６は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００３２】
図６において、図５の回路構成と異なるのは、第３アームを構成するＱ３、Ｑ４と、第２インバータ１５の入力電圧を平滑するフィルタコンデンサ２１とを、第１および第２アームに比較して、近づけるように実装した点である。上記以外の構成要素は第３の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００３３】
以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作を説明する。
【００３４】
配線のインダクタンスは、フィルタコンデンサ２１とスイッチング素子との距離に比例している。第２インバータを構成する６個のスイッチング素子の中で、第３アームを構成する２個のスイッチング素子だけが、高周波スイッチングを行うため、第３アームとフィルタコンデンサ２１との距離を他の２つのアームに比べて最短として、特にターンオフ及びターンオン時に発生するサージ電圧を小さくして、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧振幅を低減している。
【００３５】
以上のように、本実施の形態においては第２インバータのフィルタコンデンサ２１を、第１アーム及び第２アームと比較して、第３アームに最も近づけて配置することで、配線のインダクタンスが最小となり、スイッチング時のサージ電圧を抑えられるため、第３アームを構成するスイッチング素子の電圧定格を最小にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は波形成形する系統連系インバータの低損失化を実現する構成として、６個のスイッチング素子からなるブリッジインバータを共振形インバータの後段に設けて、共振形インバータの動作状態に応じてブリッジインバータの出力を切り換えることができることから、太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１による電力変換装置の接続図
【図２】本発明の実施の形態１による電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図３】本発明の実施の形態２による電力変換装置の接続図
【図４】本発明の実施の形態２による電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図５】本発明の実施の形態３による電力変換装置の接続図
【図６】本発明の実施の形態４による電力変換装置の接続図
【図７】従来の電力変換装置の接続図
【図８】従来の電力変換装置の各部動作を示す波形図
【符号の説明】
【００３８】
１１  直流電源
１２  第１インバータ
１３  高周波トランス
１４  整流手段
１５  第２インバータ
１６  系統
１７  共振コンデンサ
１８  第１スイッチング素子
１９  限流リアクトル
２０  ダイオード
２１  フィルタコンデンサ
２２  第２インバータ駆動手段
２３  コレクタ電流検知手段
２４  第１インバータ制御回路
２５  第２共振コンデンサ
２６  第３共振コンデンサ
２７  出力リアクトル
【図１】
2006115626.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006115626.tif 000008
【図７】
2006115626.tif 000009
【図８】
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