(57)【要約】【課題】チョークコイルの終端に補助コイルを巻いて、出力電流の高周波ノイズ成分を逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセル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と、直流電圧を高周波電力に変換する第１インバータ１１と、高周波トランス１３の２次側の整流手段１４と、整流手段１４の出力電流を制御する第２インバータ１５と、チョークコイル１７とを備え、チョークコイル１７の終端に補助コイル１６を巻いて、第２インバータ１５の出力電流の高周波ノイズ成分を、逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルすることにより、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するとともに、出力電流歪を小さく抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスと、直流電圧を高周波電力に変換する第１インバータと、高周波トランスの２次側の整流手段と、整流手段の出力電流を制御する第２インバータと、チョークコイルとを備え、チョークコイルの終端に補助コイルを巻いて、第２インバータの出力電流の高周波ノイズ成分を、逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
チョークコイルは、補助コイルをチョークコイルと同一コアに巻くようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
チョークコイルは、補助コイルをチョークコイルの終端から逆方向に、チョークコイルの上に重ね合わせながら巻き返すようにしたことを特徴とする請求項１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、燃料電池、太陽電池などの直流電力を商用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、２次側に整流手段とスイッチング素子を配置して、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、この特許文献１に記載された従来の電力変換装置の構成を示すもので、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。この第１インバータ１は、高周波トランス３の１次側に接続されており、共振コンデンサ４とスイッチング素子５からなる。
【０００４】
そして、前記スイッチング素子５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１が商用２倍周期で正弦波変調を行う。さらに、高周波トランス３の２次側ではダイオードＱ１〜Ｑ４からなる整流手段６とコンデンサ７で高周波成分を整流し、第２インバータ８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、系統９に供給するものであった。
【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】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、第２インバータの出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタとして、インダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数が大きくなり、その結果無効電力成分が大きくなって、力率が低下し、出力電流波形が歪むという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数小さくし、無効電力成分を極力小さくして、出力電流歪を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、チョークコイルの終端に補助コイルを巻くことにより、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数小さくするものである。
【０００８】
この本構成によって、無効電力成分を極力小さくして、出力電流歪を小さく抑えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力変換装置によれば、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスおよびコンデンサの定数を小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、高周波トランスと、直流電圧を高周波電力に変換する第１インバータと、高周波トランスの２次側の整流手段と、整流手段の出力電流を制御する第２インバータと、チョークコイルとを備え、チョークコイルの終端に補助コイルを巻いて、第２インバータの出力電流の高周波ノイズ成分を、逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルすることにより、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えることができる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明のチョークコイルは、補助コイルをチョークコイルと同一コアに巻くようにしたことにより、確実に磁束をキャンセルでき、省スペース化がはかれ、小型化が可能となる。
【００１２】
第３の発明は、特に第1の発明のチョークコイルは、補助コイルをチョークコイルの終端から逆方向に、チョークコイルの上に重ね合わせながら巻き返すようにしたことにより、トランスとして結合係数が高くなり、より確実に、効率的に磁束をキャンセルできるようになり、高周波ノイズ成分はさらに小さくなる。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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、２次側には整流手段１４と第２インバータ１５とが接続されている。ここで第２インバータ１５からの出力には、終端に補助コイル１６が接続されたチョークコイル１７が接続され、後段のフィルタ回路１８を経て、系統１９に連系している。
【００１８】
このように構成された電力変換装置において、第１インバータ１１内のスイッチング素子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、高周波トランス１３の１次側に高周波電力を発生する。
【００１９】
ここで、導通していたスイッチング素子がターンオフする際に共振コンデンサが充電され、非導通であったスイッチング素子に並列に共振コンデンサが放電されて、逆導通ダイオードが導通しているタイミングでターンオンすることで、各素子のゼロ電圧スイッチングを実現している。
【００２０】
因みに、ここでは第１インバータ１１の構成において、４石のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４および４つの共振コンデンサ１２ａ〜ｄについて述べたが、１石のスイッチング素子、１つの共振コンデンサでも可能である。もちろん共振コンデンサを接続しない１石のスイッチング素子でもよい。
【００２１】
そして、高周波トランス１３の２次側では、ダイオードからなる整流手段１４で高周波成分を整流し、第２インバータ１５で極性切換を行うことにより、正弦波電流を生成するものである。
【００２２】
さらに、チョークコイル１７の終端に補助コイル１６を巻いてトランスとして動作させ、高周波ノイズと逆相の信号を取り出して、ノイズをキャンセルするものである。そして残った高周波の信号をフィルタ回路１８にて削減するものである。
【００２３】
このようにチョークコイル１７の終端に補助コイル１６を巻いて、第２インバータ１５の出力電流の高周波ノイズ成分を逆位相電流から発生する磁束で選択的にキャンセルするものである。
【００２４】
ここで、チョークコイル１７は、比率１１４ターンと４ターンとし、トータルで１．８ｍＨとするもので、Ｃ１は１．５μＦである。またフィルタ回路１８においてコイルのインダクタンスＬ１は２５０μＨ、コンデンサ容量Ｃ２は０．３３μＦとする。
【００２５】
さらに図２における等価のシミュレーション回路にて動作を説明する。フィルタ回路１８の効果を確認するため、入力電圧Ｖ１として周波数が１７ｋＨｚで±２００Ｖ、すなわち４００Ｖの矩形波を入力とする。
【００２６】
図２において、チョークコイルの終端と補助コイルを接続し、ここでは結合係数が０．９４のトランスと同等とみなす。さらにここではＬＡ＝１．８ｍＨ、ＬＢ＝２．２μＨ、Ｃ１＝１．５μＦ、Ｌ１＝２５０μＦ、Ｃ２＝０．３３μＦ、Ｒ２＝３３Ωである。1)〜4)はノード番号のポイントを示す。
【００２７】
以上の構成で、矩形波は図２の回路のノード2)において図３ａの正弦波形に、また補助巻き線の両端に発生する電圧波形は図３ｂのように入力波形と逆相の電圧波形となる。
【００２８】
この図３ａと図３ｂの波形を合成することにより、図３ｃの合成波形が図２のノード3)において出力されることになる。この合成された波形はキャリア周波数の２倍の高周波を含んだ波形となる。
【００２９】
さらに図３ｃの合成出力波形はフィルタ回路１８により図３ｄのなめらかな波形となる。このなめらかな出力波形は周波数解析により、１７ｋＨｚの高周波成分が約１／１０に減衰していることが証明されている（説明略）。
【００３０】
このように、通常のフィルタ回路１８としては、インダクタンスＬ１＝１ｍＨ、コンデンサ容量Ｃ２＝１０μＦ以上でないと高周波ノイズ成分を減衰することは困難であるが、Ｃ２＝１０μＦ以上もの大きな容量のコンデンサを使用すると、出力電流において無効電力成分が大きくなり、力率が低下して出力電流波形が歪むことになる。ここでチョークコイル１７の終端に補助コイル１６を巻くことにより、出力電流波形を歪ませることなく高周波ノイズ成分を減衰させることができる。
【００３１】
かかる構成によれば、出力電流に対し、逆位相の電流から発生する磁束で高周波電流を選択的にキャンセルできるので、出力電流の高周波ノイズ成分を除去するためのフィルタであるインダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数を小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えることができるものである。
【００３２】
また、チョークコイル１７は、補助コイル１６をこのチョークコイル１７と同一コアに巻くようにする。
【００３３】
かかる構成によれば、確実に磁束をキャンセルでき、省スペース化がはかれ、小型化が可能となる。
【００３４】
また、チョークコイル１７は、補助コイル１６をこのチョークコイル１７の終端から逆方向に、同チョークコイル１７の上に重ね合わせながら巻き返すようにする。
【００３５】
この構成によれば、トランスとして結合係数が高くなり、より確実に、効率的に磁束をキャンセルできるようになり、高周波ノイズ成分はさらに小さくなる。
【００３６】
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】
【００３７】
本発明の電力変換装置は、出力電流の高周波ノイズ成分を除去でき、かつフィルタであるインダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数を小さくでき、その結果無効電力成分を極力小さくでき、出力電流歪を小さく抑えた電力変換装置を提供する。これは燃料電池発電に限らず太陽光発電他の電力変換装置にも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック構成図（ｂ）第１インバータの回路図
【図２】同電力変換装置のチョークコイルにおけるシミュレーション回路図
【図３】同電力変換装置のチョークコイルにおけるシミュレーション回路図の動作波形図
【図４】従来の電力変換装置のブロック構成図
【符号の説明】
【００３９】
１１  第１インバータ
１２ａ〜ｄ  共振コンデンサ
１３  高周波トランス
１４  整流手段
１５  第２インバータ
１６  補助コイル
１７  チョークコイル
１８  フィルタ回路
１９  系統
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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