(57)【要約】【課題】高周波トランスの２次巻線数を増加することなく、高い昇圧比に対しても高周波トランスの小形化とスイッチング素子やダイオードといった半導体素子の低損失化を実現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の２次側に倍電圧整流手段１５を配置し、共振電流を流すことで、２次巻線数の低減と構成部品の低耐圧化を達成し、高周波トランス１３の小形化とともにスイッチング素子Ｑ１〜スッチング素子Ｑ４の低損失化を実現するものである。【選択図】図１
2006304381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を分割する２個以上の分圧コンデンサと、１次側に中間端子を有する高周波トランスと、２個のスイッチング素子を直列接続したアームが２個からなるフルブリッジ構成の第１インバータと、各スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続した第１から第４の共振コンデンサと、高周波トランス２次側に限流リアクトルと、倍電圧整流手段と、出力電流を制御する第２インバータからなり、分圧コンデンサによる中間電圧と、高周波トランスの中間端子とを共振リアクトルで接続する電力変換装置。
【請求項２】
倍電圧整流手段は、平滑コンデンサとダイオードとで高周波電力を整流する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
平滑コンデンサと限流リアクトルの共振周波数は、第１インバータの動作周波数以下である請求項１、２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の電力変換装置で直流電力を商用周波数の交流電力に変換するようにした燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項記載の電力変換装置で直流電力を商用周波数の交流電力に変換するようにした太陽電池。
【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、１次インバータが商用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２次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】
従来使用している電力変換装置を図３，４を参照して説明する。
【０００４】
図３において、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。これは、第１インバータ１のスイッチング素子３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。
【０００５】
通常、スイッチング素子３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４に蓄積された励磁エネルギーを共振コンデンサ５との間で充放電することで、スイッチング素子３のコレクタ−エミッタ電圧は図４に示すように共振波形となる。
【０００６】
次に、コレクタ−エミッタ電圧がゼロとなりスイッチング素子３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３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。
【０００７】
なお、６は整流手段、７は第２インバータ、８は平滑コンデンサ、そして９が系統である。
【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】
【０００８】
しかしながら前記従来の構成では、高周波トランスの出力電圧は入力電圧に１次２次間の巻線比を乗じた値以下となるが、特に高い昇圧比が必要な場合、１次巻線数には下限があるため、インバータの動作周波数を考慮すると高周波トランスの２次巻線数を増加することが必要となり、同時に２次側は出力電圧以上の耐圧が必要となるため、高周波トランスの小形化と軽量化に限界がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高周波トランス２次側に倍電圧整流手段を配置することで、高周波トランスの昇圧比を小さくすることができるため、２次巻線数の低減と構造上の低耐圧化が図れることにより、高周波トランスの小形化が可能な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】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、高周波トランスの２次側に倍電圧整流手段を接続して、整流された高周波電力を第２インバータへ供給するようにした電力変換装置としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電力変換装置は、高周波トランスの２次側に倍電圧整流手段を接続して、高周波トランスの１次２次巻数比を整流ブリッジの場合に比べて概ね半減させることにより、特に２次巻線数を削減することで、高周波トランスを小形化し、さらに昇圧比の大きい入出力電圧条件における高周波トランス１次２次巻線数の設計自由度を拡大する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】
【００１２】
第１の発明は、直流電圧を分割する２個以上の分圧コンデンサと、１次側に中間端子を有する高周波トランスと、２個のスイッチング素子を直列接続したアームが２個からなるフルブリッジ構成の第１インバータと、各スイッチング素子の第１から第４の共振コンデンサと、出力電流を制御する第２インバータとを具備し、分圧コンデンサによる中間電圧と、高周波トランスの中間端子とを共振リアクトルで接続し、スイッチング素子が各アームの動作に関わらずゼロ電圧スイッチング動作する構成において、高周波トランスの２次側と第２インバータとの間に限流リアクトルと倍電圧整流手段を接続することで、２次巻数を低減して、高周波トランスの小形化が可能な電力変換装置を実現することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明において、倍電圧整流手段を平滑コンデンサとダイオードからなる半波整流とすることで、簡素で安価な電力変換装置を実現することができる。
【００１４】
第３の発明は、第１、２のいずれか１つの発明において、整流手段を構成する共振コンデンサと限流リアクトルとの共振周波数は、第１インバータの動作周波数以下とすることで、第１ダイオードのリカバリ損失を小さくして、低損失の電力変換装置を実現することができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
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、また、この高周波トランス１３の２次側には限流リアクトル１４と、倍電圧整流手段１５と、第２インバータ１６とが接続され、系統１７に連系している。
【００２０】
直流電源は２個の分圧コンデンサ１８で電圧が分割され、中間の電圧端子は高周波トランス１３の１次側にある中間端子との間に共振リアクトル１９を介して接続されている。また、倍電圧整流手段１５はダイオード２０と平滑コンデンサ２１とから構成されている。
【００２１】
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、作用を説明する。
【００２２】
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、直流入力電源のマイナス側をゼロとしたとき、高周波トランス１３の１次側（ａ）点電圧はゼロと直流電圧Ｖｉｎとを振幅とする高周波電圧となる。
【００２３】
ここで、導通していたスイッチング素子（例えばＱ１、Ｑ４）がターンオフする際にそれぞれのスイッチング素子に並列に接続された共振コンデンサ１５ａ、ｄは充電され、非道通であったスイッチング素子（ここではＱ２、Ｑ３）に並列の共振コンデンサ１５ｂ、ｃは放電されて、逆導通ダイオードが導通したところで、電流は直流入力電源に回生される。
【００２４】
逆導通ダイオードが導通しているタイミングでスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングが行われる。スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ３が導通する場合は、高周波トランス１３の２次側に出力された高周波電圧は限流リアクトル１４で電流が制限されつつ、倍電圧整流手段１５を構成するダイオード２０が導通して平滑コンデンサ２１を充電し、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ４が導通するときは、ダイオード２０には逆電圧が印加されるため、の電圧と高周波トランス１３の電圧の和が第２インバータ１６に印加されている。
【００２５】
この時、限流リアクトル１４の作用により、第２インバータ１６への入力電流は限流リアクトル１４と平滑コンデンサ２１とで周波数が決定された共振波形となり、第１インバータ１１のスイッチングに伴うダイオード１９のリカバリー損失を低減している。
【００２６】
また第１インバータ１１導通中の出力電流によって電圧が変化する程度の平滑コンデンサ１２１の容量を選択することで、第１インバータ１１を構成するスイッチング素子のコレクタ−エミッタ（またはドレイン−ソース）間に流れる電流を共振波形として、ターンオフ時の電流を小さくし、スイッチング損失を低減している。
【００２７】
以上のように、本実施例の形態において高周波トランスの２次側に倍電圧整流手段を接続し、これを容量の小さい平滑コンデンサとダイオードで構成することで、高周波トランスの２次巻線数の大幅削減と、スイッチング素子、ダイオードのスイッチングに伴う損失を低減することで装置の小形化、高効率化を実現することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の各部動作を示すもので、構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明は第１の実施の形態のもを援用する。
【００２９】
図２をにおいて、高周波トランス１３の２次側に接続された限流リアクトル１４と倍電圧整流手段１５を構成する平滑コンデンサ２１の共振周波数を、第１インバータ１１の動作周波数以下に選択する。
【００３０】
インバータ１１を構成するスイッチング素子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際、ゼロ電圧スイッチングが維持されている。
【００３１】
ここで出力電力が小さい時や入力電圧が高い時、第１インバータ１１は動作周波数を上昇させる必要があることから、高周波トランス１３の２次側に伝達される電力も周波数が高くなる。限流リアクトル１４と平滑コンデンサ２１の共振周波数が第１インバータ１１の動作周波数以下としているから、第１インバータ１１を構成するスイッチング素子の電流波形及び第２インバータ１６への入力電流波形が、限流リアクトル１４と平滑コンデンサ２１の共振周波数で大きく振動することを回避している。
【００３２】
これにより第１インバータ１１のスイッチング素子ターンオフ時に、ダイオード２０を含めた電流波形が極大値をとることがなくなり、特定の動作周波数での損失増大を発生することもない。
【００３３】
以上のように、本実施の形態において、整流手段を構成する共振コンデンサと限流リアクトルとの共振周波数を、第１インバータの動作周波数以下とすることで、スイッチング素子ターンオフ時のスイッチング損失と、整流手段を構成するダイオードのリカバリ損失を小さくして、高効率な電力変換装置の実現を図ることができる。
【００３４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は高周波トランスの２次側に倍電圧整流手段を有し、高い昇圧比または降圧比が必要とされる電力変換に際して、高周波トランスの巻線比を上げずに小形化し、さらには倍電圧整流手段を共振回路とすることで、半導体素子の損失を低減することも可能であるため、装置の小形化と高効率化を実現できることから、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】
【００３６】
【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２による電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図３】従来の電力変換装置の接続図
【図４】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】
【００３７】
１１  第１インバータ
１２ａ〜１２ｄ  共振コンデンサ
１３  高周波トランス
１４  限流リアクトル
１５  倍電圧整流手段
１６  第２インバータ
１７  系統
１８  分圧コンデンサ
１９  共振リアクトル
２０  ダイオード
２１  平滑コンデンサ
【図１】
2006304381.tif 000003
【図２】
2006304381.tif 000004
【図３】
2006304381.tif 000005
【図４】
2006304381.tif 000006