(57)【要約】【課題】直流電源からの出力を変換して負荷に供給する電力変換回路に用いる電子部品に要求される定格容量を低減する。【解決手段】直流電源５から入力された直流電力を昇圧して負荷７に出力するパワーコンディショナ２は、キャパシタ１１６を含み、直流電源５から入力される直流電力を昇圧又は降圧してキャパシタ１１６を充電する昇降圧チョッパ１５２と、直流電源５とキャパシタ１１６とを直列に接続してなる直列接続体と並列に接続され、昇降圧チョッパ１５２から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ２１０と、インバータ２１０と１次側で接続する絶縁トランス２２０と、絶縁トランス２２０の２次側と接続し、当該２次側から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路２３０と、整流回路２３０から出力される直流電力を平滑化して負荷７に出力する平滑回路４０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力された直流電力を昇圧して負荷に出力する電力変換システムであって、
キャパシタを含み、前記直流電源から入力される直流電力を昇圧又は降圧して前記キャパシタを充電する昇降圧チョッパと、
前記直流電源と前記キャパシタとを直列に接続してなる直列接続体と並列に接続され、前記昇降圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータと１次側で接続する絶縁型トランスと、
前記絶縁型トランスの２次側と接続し、当該２次側から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路から出力される直流電力を平滑化して前記負荷に出力する平滑回路と、を含む
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
直流電源から入力された直流電力を昇圧して負荷に出力する電力変換システムであって、
キャパシタを含み、前記直流電源から入力された直流電力を昇圧して前記キャパシタを充電する昇圧チョッパと、
前記キャパシタと並列に接続され、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータと１次側で接続する絶縁型トランスと、
前記絶縁型トランスの２次側と接続し、当該２次側から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路から出力される直流電力を平滑化して前記負荷に出力する平滑回路と、を含む
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項３】
直流電源から入力された直流電力を昇圧して出力する電力変換回路であって、
キャパシタを含み、前記直流電源から入力される直流電力を昇圧又は降圧して前記キャパシタを充電する昇降圧チョッパと、
前記直流電源と前記キャパシタとを直列に接続してなる直列接続体から直流電力を前記負荷側に出力する端子と、を含む
ことを特徴とする電力変換回路。
【請求項４】
直流電源から入力された直流電力を昇圧して負荷に出力する電力変換回路であって、
キャパシタを含み、前記直流電源から入力された直流電力を昇圧して前記キャパシタを充電する昇圧チョッパと、
前記キャパシタから直流電力を前記負荷側に出力する端子と、を含む
ことを特徴とする電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換システム及び電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用の交流電源に加えて、太陽光発電や風力発電等の直流電力を出力する直流電源からも負荷に電力を供給する給電システムが開発されている（例えば下記の特許文献１を参照）。こうした給電システムにおいては、直流電源からの出力を負荷への供給に合った出力に変換するためにパワーコンディショナ（ＰＣ）と呼ばれる電力変換装置が用いられる。このパワーコンディショナには、主に電圧制御機能と絶縁機能とを具備したものが用いられている。
【０００３】
ここで、直流電源からの出力を交流電源の電力変換系統に入力する場合に用いられる交流連携用のパワーコンディショナには、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータとが必要となるが、直流電源からの出力を交流電源の電力変換系統に入力せずに負荷に供給する場合に用いられる直流給電用のパワーコンディショナは、１台のＤＣ−ＤＣコンバータで実現可能であり、交流連携用のパワーコンディショナに対して高効率化が可能である。
【０００４】
また、給電システムの高効率化を図る上では、高電圧での直流給電が望ましく、直流電源から出力を高電圧の直流電力に変換して給電するパワーコンディショナの開発が進められている。
【０００５】
ここで、図４には、従来例に係る直流電源からの出力を昇圧して直流給電するパワーコンディショナ（パワーコンディショナ３）の一構成例を示した。図４に示されるように、パワーコンディショナ３は、インバータ２１０と、絶縁トランス２２０と、整流回路２３０と、平滑回路２４０とを備え、直流電源５から入力された直流電力を負荷７側に出力する絶縁型の電力変換器である。ここで、例えばパワーコンディショナ３は、直流電源５からの入力電圧１５０Ｖ、入力電流１５Ａに対し、出力電圧４００Ｖ、出力電流７．５Ａの出力電力３０００Ｗで動作する性能を有する。
【０００６】
インバータ２１０は、直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する電気回路である。例えば、インバータ２１０は、４つのスイッチ２１２（ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子としてよい）を備える単相ブリッジ回路である。
【０００７】
絶縁トランス２２０は、トランスの１次側と２次側とが電気的に絶縁された変圧器である。そして、絶縁トランス２２０の１次巻線２２２にインバータ２１０で変換された交流電力が入力される。絶縁トランス２２０の２次巻線２２４には、絶縁トランス２２０の１次巻線２２２を流れる電流によって交流電力が誘導され、誘導された交流電力は整流回路２３０に出力される。
【０００８】
整流回路２３０は、絶縁トランス２２０の２次巻線２２４から入力された交流電力を直流電力に変換する電気回路である。
【０００９】
平滑回路２４０は、整流回路２３０で整流された出力から交流成分を取り除いて直流出力を平滑化する電気回路である。図４に示した例では、パワーコンディショナ３からの出力電圧は４００Ｖ、出力電流は７．５Ａとなり、直流電源５の電圧が昇圧されて負荷７に直流給電されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１４２０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
太陽光発電や風力発電等の出力は天候等の影響を受け不安定であるから、パワーコンディショナには入力変動を考慮して広範囲の動作条件を満足するように電子部品を選定する必要があった。そのため、パワーコンディショナには、入力変動の最大値（例えば図４に示した例では２０Ａ）に耐え得る定格容量の大きな電子部品を使用する必要があり、結果としてパワーコンディショナの小型化、低コスト化、高効率化を妨げていた。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、直流電源からの出力を変換して負荷に供給するために用いる電子部品に要求される定格容量を低減することができる電力変換システム及び電力変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換システムは、直流電源から入力された直流電力を昇圧して負荷に出力する電力変換システムであって、キャパシタを含み、前記直流電源から入力される直流電力を昇圧又は降圧して前記キャパシタを充電する昇降圧チョッパと、前記直流電源と前記キャパシタとを直列に接続してなる直列接続体と並列に接続され、前記昇降圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータと１次側で接続する絶縁型トランスと、前記絶縁型トランスの２次側と接続し、当該２次側から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路から出力される直流電力を平滑化して前記負荷に出力する平滑回路と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電力変換システムは、直流電源から入力された直流電力を昇圧して負荷に出力する電力変換システムであって、キャパシタを含み、前記直流電源から入力された直流電力を昇圧して前記キャパシタを充電する昇圧チョッパと、前記キャパシタと並列に接続され、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータと１次側で接続する絶縁型トランスと、前記絶縁型トランスの２次側と接続し、当該２次側から出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路から出力される直流電力を平滑化して前記負荷に出力する平滑回路と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る電力変換回路は、直流電源から入力された直流電力を昇圧して出力する電力変換回路であって、キャパシタを含み、前記直流電源から入力される直流電力を昇圧又は降圧して前記キャパシタを充電する昇降圧チョッパと、前記直流電源と前記キャパシタとを直列に接続してなる直列接続体から直流電力を前記負荷側に出力する端子と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る電力変換回路は、直流電源から入力された直流電力を昇圧して負荷に出力する電力変換システムであって、キャパシタを含み、前記直流電源から入力された直流電力を昇圧して前記キャパシタを充電する昇圧チョッパと、前記キャパシタから直流電力を前記負荷側に出力する端子と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様によれば、直流電源からの出力を変換して負荷に供給するために用いる電子部品に要求される定格容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係るパワーコンディショナの構成図である。
【図２】第２の実施形態に係るパワーコンディショナの構成図である。
【図３】従来例、第１の実施形態、第２の実施形態のそれぞれのパワーコンディショナに備えられる電子部品の容量を比較した図である。
【図４】従来例に係るパワーコンディショナの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１には本発明の第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１の構成図を示した。図１に示されるパワーコンディショナ１は、直流電源５から入力される直流電力を所定の電圧に昇圧して負荷７側に出力する電力変換装置である。本実施形態に係るパワーコンディショナ１は、例えば直流電源５からの入力電圧範囲１５０Ｖ〜３５０Ｖ、出力電圧４００Ｖ、出力電力３０００Ｗで動作する性能を有することとする。
【００２１】
直流電源５は、例えば太陽光パネルや風力発電機等の直流電力を発電し出力する電源装置である。
【００２２】
パワーコンディショナ１は、直流電源５に接続する第１変換器１００と、負荷７に電力を供給する第２変換器２００とを備える。以下、第１変換器１００と第２変換器２００のそれぞれの構成の詳細について説明する。
【００２３】
第１変換器１００は、昇圧チョッパ１０２を備え、直流電源５から入力される直流電力を所定の電圧に昇圧して出力する非絶縁型の変換ユニットである。
【００２４】
昇圧チョッパ１０２は、直流電源５からの入力電圧を昇圧して出力する電気回路である。本実施形態の昇圧チョッパ１０２は、例えばスイッチ１１０（ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子としてよい）、インダクタ１１２、還流ダイオード１１４、キャパシタ１１６を備え、スイッチ１１０のＯＮ／ＯＦＦ制御により直流電源５の電圧（Ｖ１）以上の電圧（Ｖ２）でキャパシタ１１６を充電する。ここで、直流電源５から出力される電圧Ｖ１、電流Ｉ１、キャパシタ１１６の電圧Ｖ２、昇圧チョッパ１０２から出力される電流Ｉ２とし、昇圧チョッパ１０２への入力がＶ１＝１５０Ｖ、Ｉ１＝２０Ａである場合には、昇圧チョッパ１０２からの出力はＶ２＝４００Ｖ、Ｉ２＝７．５Ａとなる。
【００２５】
第２変換器２００は、インバータ２１０と、絶縁トランス２２０と、整流回路２３０と、平滑回路２４０とを備え、第１変換器１００から入力された直流電力を負荷７側に出力する絶縁型の変換ユニットである。以下、第２変換器２００に備えられた各素子について説明する。
【００２６】
インバータ２１０は、昇圧チョッパ１０２と接続し、昇圧チョッパ１０２から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する電気回路である。本実施形態のインバータ２１０は、キャパシタ１１６と並列に接続している。また、本実施形態のインバータ２１０は、例えば４つのスイッチ２１２（ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子としてよい）を備える単相ブリッジ回路の構成としているが、他の形態を用いてもよいのはもちろんである。
【００２７】
絶縁トランス２２０は、トランスの１次側と２次側とが電気的に絶縁された変圧器である。そして、絶縁トランス２２０の１次巻線２２２にインバータ２１０で変換された交流電力が入力される。なお、本実施形態では、絶縁トランス２２０の入力電圧Ｖ２と絶縁トランス２２０の出力電圧Ｖ３とは同じであることとするが、両者の関係はこれに限定されない。
【００２８】
絶縁トランス２２０の２次巻線２２４には、絶縁トランス２２０の１次巻線２２２を流れる交流電流によって交流電力が誘導され、誘導された交流電力は整流回路２３０に出力される。
【００２９】
整流回路２３０は、絶縁トランス２２０の２次巻線２２４から入力された交流電力を直流電力に変換する電気回路である。本実施形態の整流回路２３０は、還流ダイオード２３２を２つ備えた全波整流回路とするが、他の形態を用いても構わない。
【００３０】
平滑回路２４０は、整流回路２３０で整流された出力から交流成分を取り除いて直流出力を平滑化する電気回路である。本実施形態の平滑回路２４０は、インダクタ２４２、キャパシタ２４４を備えたチョーク入力型を用いているが、他の形態を用いても構わない。そして、キャパシタ２４４の電圧Ｖ４、平滑回路２４０から負荷７側に出力される電流Ｉ４とした場合に、本実施形態のパワーコンディショナ１の例では、Ｖ４＝４００Ｖ、Ｉ４＝７．５Ａとなる。
【００３１】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２について説明する。図２には、第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２の構成図を示した。第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２は、第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１と入力、出力の関係は同じとする。
【００３２】
第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２は、第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１と同様に、第１変換器１５０及び第２変換器２００を備える。ここで、第２変換器２００については第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１と同じ構成であるため、以下では第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２に備えられた第１変換器１５０の構成について説明する。
【００３３】
第１変換器１５０は、昇降圧チョッパ１５２を備え、昇降圧チョッパ１５２の電圧と直流電源５の電圧との合計値が所定の電圧（例えば４００Ｖ）となるように制御して出力する非絶縁型の変換ユニットである。
【００３４】
昇降圧チョッパ１５２は、直流電源５からの入力電圧を昇圧又は降圧して（すなわち可変の電圧に変換して）出力する電気回路である。本実施形態の昇降圧チョッパ１５２は、例えばスイッチ１１０（ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子としてよい）、インダクタ１１２、還流ダイオード１１４、キャパシタ１１６を備え、スイッチ１１０のＯＮ／ＯＦＦ制御により直流電源５の電圧（Ｖ１）以上又は以下の電圧（ＶＡ）でキャパシタ１１６を充電する。なお、第２の実施形態では、キャパシタ１１６と直流電源５とは直列に接続され、その直列接続体をインバータ２１０と並列に接続することとしている。ここで、直流電源５から出力される電圧Ｖ１、電流Ｉ１、キャパシタ１１６の電圧ＶＡ、インダクタを流れる電流ＩＬ、昇降圧チョッパ１５２から出力される電流Ｉ２とし、昇降圧チョッパ１５２への入力がＶ１＝１５０Ｖ、Ｉ１＝２０Ａである場合に、ＩＬ＝１２．５Ａ、ＶＡ＝２５０Ｖとすると、インバータ２１０への入力電圧Ｖ２＝Ｖ１＋ＶＡ＝４００Ｖ、Ｉ２＝７．５Ａとなる。
【００３５】
昇降圧チョッパ１５２から出力された直流電力は第２変換器２００を介して負荷７側に供給される。第２変換器２００における処理は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３６】
図３には、第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１及び第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２に備えられる各電子分品に要求される容量を図４に示した従来例に係るパワーコンディショナ３と比較した図を示した。
【００３７】
図３に示されるように、従来例に係るパワーコンディショナ３では、第１変換器（非絶縁型変換器）１００，１５０を構成するスイッチ１１０、還流ダイオード１１４、インダクタ１１２、キャパシタ１１６の電子部品を要さないものの、第２変換器２００（絶縁型変換器）を構成するスイッチ２１２、絶縁トランス２２０の１次巻線２２２に流れる電流（２０Ａ）が大きいため、結果として必要とされる総容量の合計値が１３７．５Ａと大きくなる。
【００３８】
一方で、第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１では、第１変換器１００（非絶縁型変換器）を構成するスイッチ１１０、還流ダイオード１１４、インダクタ１１２、キャパシタ１１６の電子部品が必要となるものの、第２変換器（絶縁型変換器）２００を構成するスイッチ２１２、絶縁トランス２２０の１次巻線２２２に流れる電流（７．５Ａ）を従来例に比べて小さくすることができるため、必要とされる総容量の合計値が１２２．５Ａと従来例に比べて小さくなる。
【００３９】
さらに、第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２では、第１変換器１５０（非絶縁型変換器）を構成するスイッチ１１０及びインダクタ１１２に流れる電流（１２．５Ａ）を第１の実施形態に比べて小さくすることができるため、必要とされる総容量の合計値が１０７．５Ａと最小となる。すなわち、第２の実施形態に係るパワーコンディショナ２によれば、入力電圧１５０Ｖ、出力電圧４００Ｖ、出力電力３０００Ｗのパワーコンディショナに要する電子部品の総容量を従来例に比べて３割近く減らすことができる。こうした構成による、パワーコンディショナの小型化、低コスト化、高効率化への寄与は非常に大きいということができる。
【００４０】
もちろん、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、パワーコンディショナに絶縁機能を備えることとしたが、パワーコンディショナに絶縁機能を必要としない場合には、第１及び第２の実施形態に係るパワーコンディショナから、第２変換器２００を除いてパワーコンディショナを構成することとしてよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  パワーコンディショナ（第１実施形態）、２  パワーコンディショナ（第２実施形態）、３  パワーコンディショナ（従来例）、５  直流電源、７  負荷、１００  第１変換器（第１実施形態）、１０２  昇圧チョッパ、１１０  スイッチ、１１２  インダクタ、１１４  還流ダイオード、１１６  キャパシタ、１５０  第１変換器（第２実施形態）、１５２  昇降圧チョッパ、２００  第２変換器、２１０  インバータ、２１２  スイッチ、２２０  絶縁トランス、２２２  １次巻線、２２４  ２次巻線、２３０  整流回路、２３２  還流ダイオード、２４０  平滑回路、２４２  インダクタ、２４４  キャパシタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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