(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧源と、前記交流電圧源の一端に接続される互いに逆極性のトランスの第１の巻線および第２の巻線と、前記第１の巻線および前記第２の巻線と前記交流電圧源の他端との間にそれぞれ接続される第１の双方向スイッチング素子および第２の双方向スイッチング素子と、前記トランスの第３の巻線と、前記第３の巻線に逆導通型スイッチング素子を介して接続される直流電圧源を有し、前記交流電圧源と前記直流電圧源に双方向の電力を伝達する電力変換装置。
【請求項２】
直流電圧源と、交流電圧源と、前記直流電源からのエネルギーを蓄積するインダクタと、前記エネルギーを蓄積させるためにターンオンするスイッチング素子と、前記スイッチング素子がターンオフしたときに前記インダクタに蓄積されているエネルギーを前記交流電圧源に放出される経路にある双方向スイッチング素子と、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記スイッチング素子のサージ電圧が発生する端子間の電圧が所定値以上に到達した時点で前記双方向スイッチング素子を強制的に導通させる強制点弧制御手段を有し、前記直流電圧源から前記交流電圧源に電力を伝達する電力変換装置。
【請求項３】
第１の交流電圧源と、前記第１の交流電圧源の一端に接続される互いに逆極性のトランスの第１の巻線および第２の巻線と、前記第１の巻線および前記第２の巻線と前記第１の交流電圧源の他端との間にそれぞれ接続される第１の双方向スイッチング素子および第２の双方向スイッチング素子と、前記トランスの第３の巻線と、前記第３の巻線に第３の双方向スイッチング素子を介して接続される第２の交流電圧源を有し、前記第１の双方向スイッチング素子と前記第２の双方向スイッチング素子を選択してオンし、フライバックコンバータ動作する電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧源と直流電圧源との間、または２つの交流電圧源の間で双方向に電力を伝達する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽光発電の普及に伴い、系統連系機能を有する電力変換装置が普及している。また、一方では太陽光発電を補助するために蓄電池を設けて、この蓄電池のような直流電圧源と系統のような交流電圧源との間で双方向に電力を伝達する電力変換装置も実用化されている。従来これらは、系統電力を整流し、その整流出力に接続される双方向のＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電池に接続充電し、さらに蓄電池からの放電時には前記した双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ出力を再度交流に変換して系統に逆潮流させるインバータを有するものであった。
また、蓄電手段としてはフライホイールもあるが、フライホイールは基本的に交流電圧源によって駆動（蓄電）され、交流電圧源として発電（放電）するので、系統側とフライホイール側にそれぞれ個別のインバータと、これらのインバータ間の電力をやり取りする双方向のＤＣ／ＤＣコンバータを有するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータと、交流電圧源側のインバータがそれぞれ必要で、システムとしては非常に大がかりなものとなっていた。
本発明は、上記従来の課題を解決するためのもので、簡素な構成で交流電圧源と直流電圧源の間、あるいは２つの交流電圧源との間を双方向に電力のやり取りが可能な電力変換器を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
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交流電圧源と、この交流電圧源の一端に接続される互いに逆極性のトランスの第１の巻線および第２の巻線と、これら第１の巻線および第２の巻線と前記交流電圧源の他端との間にそれぞれ接続される第１の双方向スイッチング素子および第２の双方向スイッチング素子と、前記トランスの第３の巻線と、この第３の巻線に逆導通型スイッチング素子または双方向スイッチング素子を介して直流電圧源または第２の交流電圧源と接続したものである。これら逆導通型スイッチング素子と双方向スイッチング素子、あるいは双方向スイッチング同士のスイッチングタイミングを適宜に制御することにより、交流電圧源と直流電圧源との間、あるいは２つの交流電圧源との間で双方向に電力の伝達が可能となるものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、第１または第２の双方向スイッチング素子をＰＷＭ制御にてオンオフさせた場合は、交流電圧源から直流電圧源に電力を伝達し、これとは逆に逆導通型スイッチング素子をＰＷＭ制御にてオンオフさせ、逆導通型スイッチング素子のターンオフ時に第１または第２の双方向スイッチング素子を導通させた場合は直流電圧源から交流電圧源に電力を、いずれも簡素な構成で伝達できるものである。
請求項２記載の発明は、トランスの巻線という回路特性上はインダクタとして扱われるエネルギー蓄積素子に、スイッチング素子をターンオンさせることによってエネルギー蓄積を行い、次にスイッチング素子をターンオフさせたときに、そのエネルギーが放出される経路にある双方向スイッチング素子を強制的にターンオンさせることによって、エネルギー蓄積を行ったスイッチング素子に過大な電圧が印加されることなく、素子破壊を防ぐことができる。
請求項３記載の発明は、第１または第２の双方向スイッチング素子をＰＷＭ制御にてオンオフさせ、第１または第２の双方向スイッチング素子がターンオフしたときに第３のスイッチング素子をターンオンさせた場合は、第１の交流電圧源から第２の交流電圧源に電力を伝達し、これとは逆に第３の双方向スイッチング素子をＰＷＭ制御にてオンオフさせ、第３の双方向スイッチング素子のターンオフ時に第１または第２の双方向スイッチング素子を導通させた場合は第２の交流電圧源から第１の交流電圧源に電力を、いずれも簡素な構成で伝達できるものである。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜５を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１は、本実施例１の電力変換装置の回路ブロック図を示す。１は交流電圧源、２は高周波トランス、３は高周波トランス２の第１の巻線、４は高周波トランス２の第２の巻線である。これら第１の巻線３と第２の巻線４は交流電圧源１に対して互いに逆極性で接続されている。本実施例ではセンタータップ形式で接続されているが、互いに独立した巻線で構成しても構わない。５は第１の巻線３に接続される双方向スイッチング素子、６は第２の巻線４に接続される双方向スイッチング素子である。双方向スイッチング素子５，６は、いずれも制御によって自己消弧が可能なデバイスとしている。これらの双方向スイッチング素子は２つの逆導通型スイッチング素子の逆直列接続で組み合わせて構成しても構わない。７は高周波トランス２の第３の巻線で、逆導通型スイッチング素子８を介して直流電圧源９に接続されている。１０は第１および第２の双方向スイッチング素子５，６と逆導通型スイッチング素子８のオンオフを制御する駆動制御部、１１は、逆導通型スイッチング素子８の電圧を監視して、逆導通型スイッチング素子８がターンオフしたときに、電圧が所定値以上になると駆動制御部１０に信号を出力する強制点弧制御手段である。
次に本実施例１の動作について、図２および図３に基づいて説明する。図２は交流電圧源１から直流電圧源９に電力を伝達する時の動作説明図である。この時、図１で示している逆導通型スイッチング素子８の構成の中で、ＩＧＢＴに相当する部分は用いないので、簡単のため、ダイオード部８ａのみを記載している。図２（ａ）（ｂ）に示すように、交流電圧源１の極性に応じて動作モードを切り替えている。すなわち交流電圧源１が正の極性の期間は第１の双方向スイッチング素子６は動作させず、負の極性の期間は第１の双方向スイッチング素子５は動作させないため、簡単のため、それらを省略して記載している。図２（ａ）（ｂ）をみればわかるように、これらは正負いずれの極性においてもフライバックコンバータとして動作するものであり、それぞれの期間で双方向スイッチング素子５，６をＰＷＭ制御することによって、交流電圧源１から直流電圧源９に対して電力を伝達することができる。
図３は、逆に直流電圧源９から交流電圧源１に電力を伝達する時の動作説明図である。この時は図１で示している逆導通型スイッチング素子８の構成の中で、ダイオード部は動作しないので簡単のためにＩＧＢＴ部８ｂのみを記載している。この場合も同様に図３（ａ）（ｂ）に示すように、交流電圧源１の極性に応じて動作モードを切り替えている。すなわち交流電圧源１が正の極性の期間は第２の双方向スイッチング素子６は動作させず、負の極性の期間は第１の双方向スイッチング素子５は動作させないため、簡単のため、それらを省略して記載している。この構成で、ＩＧＢＴ部８ｂがオンしたときに高周波トランス２の第３の巻線に電圧が印加されるが、この巻線は通常インダクタとしてエネルギーが蓄えられ、ＩＧＢＴ部８ｂがターンオフしたときに、高周波トランス２で結合している第１または第２の巻線から放出されようとするが、このとき、通常のフライバックコンバータでは、双方向スイッチング素子ではなくダイオードが挿入されているため、特に制御せずともこのエネルギーを交流電圧源１側に伝達されることができるが、本実施例では双方向スイッチング素子であるため、通常のダイオードによって電力を伝達するタイミングと同じタイミングで双方向スイッチング素子５または６をオンさせなければならない。これらがオンしないと第３の巻線には大きなサージ電圧が発生し、逆導通型スイッチング素子が破壊する可能性がある。この動作を正確に行うために、図１で示した強制点弧制御手段１１が動作する。すなわち逆導通型スイッチング素子８がターンオフしたときに、その電圧が所定値以上になったことを検知し、駆動制御部１０に対して信号を出力し、駆動制御部１０は対応してオンさせるべき双方向スイッチング素子５，６のいずれかをオンさせる。このようにすることによって、最適なタイミングで確実に双方向スイッチング素子をオンさせることができ、安定した動作を得ることができる。この動作はオンオフのタイミングだけで実現できないこともないが、通常はスイッチング遷移時間には温特やばらつき要因があるため、双方向スイッチング素子を用いた電力変換装置で安定した性能を得るには、このようなフィードバック制御を行うことに非常に大きな意味がある。また、逆導通型スイッチング素子８のＩＧＢＴ部８ｂをターンオンさせたときには、双方向スイッチング素子５および６はいずれもオフさせるものとする。このような制御を加えることにより、図３（ａ）（ｂ）にその動作を示すように、これらは交流電圧源１が正負いずれの極性においてもフライバックコンバータとして動作するものであり、それぞれの期間でＩＧＢＴ部８ｂをＰＷＭ制御することによって、直流電圧源９から交流電圧源１に対して電力を伝達することができる
以上、説明したように、本発明によれば簡素な構成で交流電圧源と直流電圧源との間で双方向に電力を伝達することができ、例えば交流電圧源を系統、直流電圧源を蓄電池とする構成とすれば、同じ構成で系統から蓄電し、さらに蓄電された直流電力を系統に逆潮流させることができる。
（実施例２）
次に本発明の他の実施例について説明する。図４は異なる交流電圧源の間を双方向に電力伝達させるための回路ブロック図である。２１は第１の交流電圧源、２２は高周波トランス、２３は高周波トランス２２の第１の巻線、２４は高周波トランス２２の第２の巻線である。これら第１の巻線２３と第２の巻線２４は第１の交流電圧源２１に対して互いに逆極性で接続されている。本実施例ではセンタータップ形式で接続されているが、互いに独立した巻線で構成しても構わない。２５は第１の巻線２３に接続される双方向スイッチング素子、２６は第２の巻線２４に接続される双方向スイッチング素子である。双方向スイッチング素子２５，２６は、いずれも制御によって自己消弧が可能なデバイスとしている。これらの双方向スイッチング素子は２つの逆導通型スイッチング素子の逆直列接続で組み合わせて構成しても構わない。２７は高周波トランス２の第３の巻線で、第３の双方向スイッチング素子２８を介して第２の交流電圧源２９に接続されている。３０は第１および第２の双方向スイッチング素子２５，２６と第３の双方向スイッチング素子２８のオンオフを制御する駆動制御部、３１は、第１から第３の双方向スイッチング素子２５，２６，２８の電圧を監視して、これらの双方向スイッチング素子８がターンオフしたときに、電圧が所定値以上になると駆動制御部３０に信号を出力する強制点弧制御手段である。
次に本実施例２の動作について、図５の動作説明図に基づいて説明する。図５（ａ）は２つの交流電圧源２１，２９が正または負の同極性の期間における動作説明図、図５（ｂ）は２つの交流電圧源２１，２９が異なる極性の期間における動作説明図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、２つの交流電圧源２１、２９の極性に応じて動作モードを切り替えている。すなわち２つの交流電圧源２１、２９が同極性の期間は第２の双方向スイッチング素子２６は動作させず、異なる極性の期間は第１の双方向スイッチング素子２５は動作させないため、簡単のため、それらを省略して記載している。これらの極性に応じて動作させる構成を切り替えることにより、図よりわかるように、実施例１のところでも説明した通り、これらの構成は基本的にはフライバックコンバータと同じ構成となる。図５（ａ）の場合では、双方向スイッチング素子を用いていることにより、２つの交流電圧源の極性が同じであれば、正であっても負であってもいずれの場合においても双方向の電力伝達が可能となる。第１の交流電圧源２１から第２の交流電圧源２９に電力を伝達するには、第１の双方向スイッチング素子２５をフライバックコンバータのスイッチング素子として動作させ、第３の双方向スイッチング素子２８をフライバックコンバータのダイオードと同様のタイミングでスイッチングすれば、フライバックコンバータとしての電力伝達を行える。逆に第２の交流電圧源２９から第１の交流電圧源２１に電力を伝達するには、第３の双方向スイッチング素子２８をフライバックコンバータのスイッチング素子として動作させ、第１の双方向スイッチング素子２５をフライバックコンバータのダイオードと同様のタイミングでスイッチングすれば、フライバックコンバータとしての電力伝達を行える。また、図５（ｂ）に示すような逆極性の場合は、図に示すように同極性につなぎ変えているだけであるから、この場合も同様にフライバックコンバータとして、双方向に電力伝達が可能となる。また、この場合もフライバックコンバータのスイッチング素子として双方向スイッチング素子２５，２６，２８のいずれかがオンしたときに高周波トランス２２の第１〜第３の巻線のいずれかに電圧が印加されるが、これらの巻線はインダクタとしてエネルギーが蓄えられ、双方向スイッチング素子がターンオフしたときに、高周波トランス２２で結合している他の巻線から放出されようとするが、このとき、通常のフライバックコンバータでは、双方向スイッチング素子ではなくダイオードが挿入されているため、特に制御せずともこのエネルギーを伝達する側の交流電圧源に伝達することができるが、本実施例２ではいずれも双方向スイッチング素子であるため、通常のダイオードによって電力を伝達するタイミングと同じタイミングでトランス２２とは逆サイドの双方向スイッチング素子をオンさせなければならない。これらがオンしないと巻線には大きなサージ電圧が発生し、双方向スイッチング素子が破壊する可能性がある。この動作を正確に行うために、図４で示した強制点弧制御手段３１が動作する。すなわち双方向スイッチング素子２５，２６、２８のいずれかがターンオフしたときに、その電圧が所定値以上になったことを検知し、駆動制御部３０に対して信号を出力し、駆動制御部３０は対応してオンさせるべき双方向スイッチング素子のいずれかをオンさせる。このようにすることによって、最適なタイミングで確実に双方向スイッチング素子をオンさせることができ、安定した動作を得ることができる。この動作はオンオフのタイミングだけで実現できないこともないが、通常はスイッチング遷移時間には温特やばらつき要因があるため、双方向スイッチング素子を用いた電力変換装置で安定した性能を得るには、このようなフィードバック制御を行うことに非常に大きな意味がある。また、フライバックコンバータのスイッチング素子として双方向スイッチング素子の一つをターンオンさせたときには、フライバックコンバータのダイオードとしてオンしていた双方向スイッチング素子はオフさせるものとする。このような制御を加えることにより、２つの交流電圧源が正負いずれの極性、すなわち言い換えれば、いずれの異なる周波数においても、フライバック型のスイッチング電源として動作させることができるものであり、それぞれの期間で双方向スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって、２つの交流電圧源の間で双方向に電力を伝達することができる。
以上、説明したように、本発明によれば簡素な構成で２つの交流電圧源の間で双方向に電力を伝達することができ、例えば第１の交流電圧源を系統、第２の交流電圧源をフライホイールの駆動巻線とする構成とすれば、同じ構成で系統から蓄電（運動エネルギー蓄積）し、さらに蓄電されたエネルギーを放出する際の交流電力を、フライホイールの回転数によらず安定して系統に逆潮流させることができる。
なお、これら２つの実施例は電源間の電力伝達に関するものであるが、前述した強制点弧制御手段によって対応する双方向スイッチング素子をオンさせることは、双方向スイッチング素子を用いたモータ用のインバータにおいても有効である。すなわち、モータ巻線も回路的にはインダクタであり、蓄積されたエネルギーを従来はダイオ−ドを介して放出していたものを双方向スイッチング素子により行う必要が生じるため、安定した動作を得るには同様の制御が必要となってくる。
【０００７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜３に記載の発明によれば、双方向スイッチング素子を適宜電源の極性に応じて切り替えて使用することにより、フライバックコンバータを基本とする簡素な構成で交流電圧源と直流電圧源の間、あるいは２つの交流電圧源の間を双方向に電力伝達させることができる電力変換装置を得ることができる。これによって従来は複雑な構成になっていた電力変換装置を小型・軽量・低コスト化することができる。
【０００８】
あるいはまた、スイッチング素子の電圧を監視して、対応する双方向スイッチング素子をオンさせる強制点弧制御手段を設けることにより、確実に安定した動作を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の回路ブロック図
【図２】  本発明の実施例１の動作説明図
【図３】  本発明の実施例１の動作説明図
【図４】  本発明の実施例２の回路ブロック図
【図５】  本発明の実施例２の動作説明図
【符号の説明】
１  交流電圧源
２  高周波トランス
３  第１の巻線
４  第２の巻線
５  第１の双方向スイッチング素子
６  第２の双方向スイッチング素子
７  第３の巻線
８  逆導通型スイッチング素子
９  直流電圧源
１０  駆動制御部
１１  強制点弧制御手段
２１  第１の交流電圧源
２２  高周波トランス
２３  第１の巻線
２４  第２の巻線
２５  第１の双方向スイッチング素子
２６  第２の双方向スイッチング素子
２７  第３の巻線
２８  第３の双方向スイッチング素子
２９  第２の交流電圧源
３０  駆動制御部
３１  強制点弧制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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