(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、バッテリと、前記直流電源の電圧を昇圧して前記バッテリに充電するコンバータと、前記バッテリの出力電圧を交流に変換するインバータと、基準波と三角波を比較してその大小でパルス幅を決定する制御回路とを備え、基準波の振幅が三角波の振幅以上になるように設定することで、交流波形のピーク付近では高周波スイッチングを行わずに、バッテリ電圧を直接出力し、前記インバータは交流の谷間の一定期間だけ正弦波変調を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
本体外部から設定可能な第１の切換手段を有し、前記第１の切換手段はインバータの出力制御を、常時正弦波変調動作あるいは交流の谷間の一定期間のみの正弦波変調動作のいずれかに切り換える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】
本体外部から設定可能な第１の位相設定手段を有し、前記第１の位相設定手段は正弦波変調期間を可変することを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
本体外部から設定可能な第２の切換手段を有し、前記第２の切換手段は商用１周期の全期間の電力供給制御または一定期間のみ電力を供給する制御との間を切り換えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
本体外部から設定可能な第２の位相設定手段を有し、前記第２の位相設定手段は電力供給期間を可変することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
出力電流検知手段と、第３の切換手段と、抵抗を有し、前記第３の切換手段と抵抗は直列に構成され、インバータ出力と並列に配置されるものであって、前記出力電流検知手段で検知される負荷電流が一定値以下の時、前記第３の切換手段を接続状態にすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
出力電圧検知手段と、前記出力電圧検知手段から得られる位相差を検出する位相差検知手段を有し、前記位相差検知手段で得られた位相差が一定値以上であれば第３の切換手段を接続状態にすることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池または燃料電池で発電した電力をバッテリに充電し、バッテリの電力を家庭電化機器や車載機器の電源として使用可能な電力形態に変換する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来使用している電力変換装置の構成を示すブロック図である。ここで発電手段は太陽電池１としている。太陽電池１で発電した直流電力はコンバータ２でバッテリ３に昇圧及び充電される。バッテリ３の出力には直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４が接続され、インバータ４はそれぞれにダイオードが並列接続された４個のスイッチング素子とリアクトルとコンデンサで構成されている。インバータ４の出力は交流出力コンセント５を通じて出力されるものである。６は制御回路である。
【０００３】
以下、図１４を参照して動作を説明する。コンバータ２は日照によって電圧が変動する太陽電池１の電力を電圧源であるバッテリ３の電圧に整合させる昇圧制御を行い、バッテリ３を充電しているものである。次ぎにバッテリ３の直流電圧を制御回路６内の三角波と正弦波状の基準波との比較によって得られたパルスパターンに基づいてスイッチング動作を行うことで、インバータ４はバッテリ３の直流電圧を高周波のパルス電圧列に変換する。得られたパルス電圧列はリアクトルとコンデンサを通過することで高周波のリップルが除去されるため、インバータ４の出力として正弦波状の電圧波形が生成される。ここで、インバータ４の出力を正弦波のＡＣ１００Ｖにする場合、ピーク電圧は１４１Ｖとなることから、インバータ４内のリアクトルの電圧降下を考慮すると少なくともバッテリ電圧（＝インバータ入力電圧）は１５０Ｖ以上が必要である。最終的にインバータ４の出力は、交流出力コンセント５を介して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧（通常１００Ｖ）として、家庭で使用する電気機器に電力を供給している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、常時正弦波を生成するためにインバータが全領域において高周波でスイッチングを行っていることから、導通損失に加えて多くのスイッチング損失が発生する。特に使用電力の小さい機器の場合、導通損失に比べてスイッチング損失の割合が大きくなる。したがって電力量に限界があるバッテリがインバータの入力電源である場合、直流電圧を商用周波で交流変換する矩形波出力に比べて接続機器の使用時間が大幅に短くなる。さらに、損失が大きいことから、冷却に必要なスペースも大きくなり、製品の小形化に限界があるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、接続機器において誤動作が発生しない範囲でインバータ損失を低減する波形を選択可能とすることで、長時間使用が可能な電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【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、直流電源と、バッテリと、前記直流電源の電圧を昇圧して前記バッテリに充電するコンバータと、前記バッテリの出力電圧を交流に変換するインバータと、基準波と三角波を比較してその大小でパルス幅を決定する制御回路とを備え、基準波の振幅が三角波の振幅以上になるように設定することで、交流波形のピーク付近では高周波スイッチングを行わずに、バッテリ電圧を直接出力し、前記インバータは交流の谷間の一定期間だけ正弦波変調を行うことを特徴とする電力変換装置とすることで、機器を誤動作させることなく、インバータの損失を低減して長時間に渡って機器を使用できるようにした高効率の電力変換装置を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、直流電源と、バッテリと、前記直流電源の電圧を昇圧して前記バッテリに充電するコンバータと、前記バッテリの出力電圧を交流に変換するインバータと、基準波と三角波を比較してその大小でパルス幅を決定する制御回路とを備え、基準波の振幅が三角波の振幅以上になるように設定することで、交流波形のピーク付近では高周波スイッチングを行わずに、バッテリ電圧を直接出力し、前記インバータは交流出力電圧の谷間の一定期間だけ正弦波変調を行うことで、高周波スイッチング動作を低減した高効率の電力変換装置としている。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、特に、請求項１に記載した発明において、本体外部から設定可能な第１の切換手段を有し、前記第１の切換手段はインバータの出力制御を、常時正弦波変調動作あるいは交流の谷間の一定期間のみの正弦波変調動作のいずれかに切り換えることで、正弦波でなくとも動作可能な機器において確実に高効率化が図れる電力変換装置としている。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、特に、請求項１または２記載の発明において、本体外部から設定可能な第１の位相設定手段を有し、前記第１の位相設定手段は正弦波変調期間を可変することで、接続機器に応じて最適な波形を生成することで広範囲に高効率を実現する電力変換装置としている。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、特に、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、本体外部から設定可能な第２の切換手段を有し、前記第２の切換手段は商用１周期の全期間の電力供給制御または一定期間のみ電力を供給する制御との間を切り換えることで、接続機器の電力制御が可能な高効率の電力変換装置としている。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、特に、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、本体外部から設定可能な第２の位相設定手段を有し、前記第２の位相設定手段は電力供給期間を可変することで、接続機器の電力制御の自由度を向上させる高効率な電力変換装置としている。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、特に、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、出力電流検知手段と、第３の切換手段と、抵抗を有し、前記第３の切換手段と抵抗は直列に構成され、インバータ出力と並列に配置されるものであって、前記出力電流検知手段で検知される負荷電流が一定値以下の時、前記第３の切換手段を接続状態にすることで、接続機器の消費電力が小さい時にインバータ出力電圧が振動することのない高品質の電力変換装置としている。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、特に、請求項６に記載した発明において、出力電圧検知手段と、前記出力電圧検知手段から得られる位相差を検出する位相差検知手段を有し、前記位相差検知手段で得られた位相差が一定値以上であれば第３の切換手段を接続状態にすることで、接続機器が誘導性負荷や容量性負荷であってもインバータ出力電圧が振動することのない高品質の電力変換装置としている。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の構成を示すブロック図である。本実施例の電力変換装置は、太陽電池（直流電源）１１で発電した電力をコンバータ１２で昇圧し、バッテリ１３およびインバータ１４に入力する。バッテリ１３の直流電圧はインバータ１４によって交流電圧に変換される。インバータ１４はＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の４個のスイッチング素子によるフルブリッジとリアクトルとコンデンサで構成され、フルブリッジの中間端子には高周波フィルタとして機能するリアクトルとコンデンサが接続されている。ここで、インバータ１４の出力は交流出力コンセント１５に供給され、家庭電化製品のプラグと接続可能である。インバータ１４は制御回路１６のドライブ信号に基づいてスイッチング動作を行う。
【００１５】
以上の様に構成された電力変換装置について、図２の波形図を参照して動作を説明する。コンバータ１２は、発電機である太陽電池１１から得られる直流電力を安定な直流電力に変換すると共に正弦波が必要とされる交流出力電圧のピーク値（例えば、交流出力電圧がＡＣ１００Ｖの場合、ピーク電圧は１４１Ｖ）以上に昇圧し、蓄電手段であるバッテリ１３への充電を行う。インバータ１４は、制御回路１６内において基準波と三角波を比較してその大小関係でパルス幅が決定されるが、正弦波の振幅を三角波の振幅以上になるように設定することで、交流波形のピーク付近では高周波スイッチングを行わずに、バッテリ電圧がそのまま出力される。また、交流波形の谷間においては、平均値が正弦波状となる高周波のパルス電圧に変換される。得られたパルス電圧はリアクトルとコンデンサを通過することで高周波のリップルが除去されて、正弦波状の電圧波形が生成されて、前記ピーク付近の出力電圧との合成電圧が交流出力コンセント１６に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧（通常１００Ｖ）として出力される。
【００１６】
以上のように本実施例によれば、インバータは交流出力電圧の谷間だけ正弦波変調を行うことで、高周波スイッチング動作を商用１周期の一定期間停止することが可能となり低損失化が図れると同時に、接続機器のゼロ電圧検知に影響を与えない波形が生成されることにより、高効率かつ高信頼性の電力変換装置を実現することができる。
【００１７】
（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。図３は本実施例の構成を示すブロック図である。図３において第１の実施例における図１の回路構成と異なるのは、制御回路１６に第１の切換手段１７を追加して、インバータ４の動作を決定する三角波の振幅を選択できるようにした点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、詳細な説明を省略する。
【００１８】
以上のように構成された電力変換装置について図４の波形図を参照して動作を説明する。接続機器が例えば計測器などのように正弦波が必要な場合は、第１の切換手段１７で正弦波を選択することにより、制御回路１６内部の基準波は全領域において三角波の振幅以下となり、インバータ４の出力は完全な正弦波となる。また接続機器が熱機器のように必ずしも正弦波が必要でない場合は、第１の切換手段１７で正弦波以外を選択して、ピーク付近では三角波の振幅に比べて正弦波の振幅を大きくすることで、インバータ４を常時オン状態にしてバッテリ３電圧をそのまま出力する。この時交流波形の谷間では正弦波状の電圧であるため、接続機器が例えば位相制御を行う場合でもゼロ電圧検出が確実に行われるものであり、誤動作なく電力制御が行われる。
【００１９】
以上のように本実施例によれば、第１の切換手段１７で制御回路１６の動作を切り換えることで、インバータ出力制御を、常時正弦波変調動作あるいは交流の谷間の一定期間のみの正弦波変調動作のいずれかに切り換え可能となり、正弦波でなくとも動作可能な機器において確実に高効率化が図れる電力変換装置を実現することができる。
【００２０】
（実施例３）
以下、本発明の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。図５は本実施例の構成を示すブロック図である。図５において第２の実施例における図３の回路構成と異なるのは制御回路１６に第１の位相設定手段１８を追加して、インバータ４の動作を決定する三角波の振幅を任意に調整できるようにした点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、詳細な説明を省略する。
【００２１】
以上のように構成された電力変換装置について図６の波形図を参照して動作を説明する。第１の位相設定手段１８は外部から調整できる構成として、接続機器の動作を確認しながら、制御回路１６内における基準波に対して三角波の振幅を変化させることで、インバータ４の高周波スイッチング領域を変化させている。例えば冷蔵庫や扇風機といった接続機器のように、それぞれモータの特性が異なったとしても、起動及び動作を確保するとともに第１の位相設定手段でインバータ４の高周波スイッチング領域を最大限削減できる設定値に調整している。もちろん交流波形の谷間では正弦波状の電圧であるため、接続機器が例えば位相制御を行う場合でもゼロ電圧検出が確実に行われるものであり、誤動作なく電力制御が行われる。
【００２２】
以上のように本実施例によれば、第１の位相設定手段１８で制御回路１６の高周波スイッチング領域を線形的に変化させることができるため、負荷が変化した場合でも常時正常動作を確保しつつ、インバータのスイッチング損失を最小に維持する高効率な電力変換装置を提供することができる。
【００２３】
（実施例４）
以下、本発明の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。図７は本実施例の構成を示すブロック図である。図７において第３の実施例における図５の回路構成と異なるのは、制御回路１６に第２の切換手段１９を追加して、通常の正弦波出力動作に加えて、インバータ４の電力供給を商用の１周期の中で部分的に動作を停止する動作を追加選択できるようにした点である。上記以外の構成要素は第３の実施例と同等であり、詳細な説明を省略する。
【００２４】
以上のように構成された電力変換装置について図８の波形図を参照して動作を説明する。接続機器が例えば計測器などのように正弦波が必要な場合は、第２の切換手段１９で正弦波を選択することにより、制御回路１６内部の正弦波である基準波は全領域において三角波と比較され、インバータ４の入力は高周波でスイッチングされて出力は完全な正弦波となる。一方、接続機器が熱機器のように電力制御を行いたいときは、第２の切換手段１９で正弦波以外を選択して、商用周期の一定期間において基準波をゼロとすることで、その期間においてはインバータ出力がゼロとなり、接続機器への電力供給を停止する。なお、図８では交流波形の立ち上がりから電力供給を停止しているが、接続機器が立ち上がりでゼロ電圧を検知している場合は、誤動作を避けるために電力供給停止を１８０度移動させてもよいことは言うまでもない。
【００２５】
以上のように本実施例によれば、第２の切換手段１９で制御回路１６の動作を切り換えることで、インバータ出力制御を常時正弦波変調動作と交流の谷間の一定期間の電力供給停止制御との間を切り換えることで、正弦波でなくとも動作可能な機器において確実に電力制御が図れる電力変換装置を実現することができる。
【００２６】
（実施例５）
以下、本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。図９は本実施例の構成を示すブロック図である。図９において第４の実施例における図７の回路構成と異なるのは、制御回路１６に第２の位相設定手段２０を追加して、インバータ４の電力供給を制限する基準波のゼロ期間を任意に調整できるようにした点である。上記以外の構成要素は第４の実施例と同等であり、詳細な説明を省略する。
【００２７】
以上のように構成された電力変換装置について図１０の波形図を参照して動作を説明する。第２の位相設定手段２０は外部から調整できる構成として、接続機器の動作を確認しながら、制御回路１６内における基準波のゼロ指令を任意に変化させることで、商用１周期内のインバータ４の出力デューティを変化させている。例えば冷蔵庫や扇風機といったモータ機器、または電気カーペットのような熱機器のように、回転数やヒータ温度をきめ細かに制御したい場合は、第２の位相設定手段２０で設定されたレベルにおいて無段階で電力制御を行う。したがって、接続機器の電力制御を行う場合において、接続機器側で位相制御をする必要もなくその際の電力損失も発生しない。
【００２８】
以上のように本実施例によれば、第２の位相設定手段２０で制御回路内の基準波にゼロ期間を任意に設けることで、電力制御を線形的に変化させることができるため、利便性の良い電力変換装置を提供することができる。
【００２９】
（実施例６）
以下、本発明の第６の実施例について図面を参照しながら説明する。図１１は本実施例の構成を示すブロック図である。図１１において第５の実施例における図９の回路構成と異なるのは、出力電流検知手段２１でインバータ４の出力電流値を制御回路１６内に取り込むようにした点と、直列に構成された第３の切換手段２２と抵抗２３を、インバータ４の出力と並列に配置した点である。上記以外の構成要素は第５の実施例と同等であり、詳細な説明を省略する。
【００３０】
以上のように構成された電力変換装置について図を参照して動作を説明する。インバータ出力に配置されたリアクトルとコンデンサのカットオフ周波数は、通常１ｋＨｚ程度を選択する場合が多く、接続機器の定格電力が小さい（軽負荷）場合、インバータ４の出力部に配置されたリアクトルとコンデンサで共振が発生し、出力電圧は振動すると共に騒音が発生する。ここで、出力電流検知手段２１で検出された電流値は制御回路１６内部のしきい値と比較され、しきい値以下であれば、軽負荷と判定し、インバータ４の出力に配置された第３の切換手段２２をオンにして、インバータ４出力から見て接続機器と抵抗２３が並列に接続されることになる。すると、抵抗２３がダンピング要素として作用して、出力電圧の振動と騒音を抑えるように作用する。
【００３１】
以上のように本実施例によれば、接続機器の定格電力が小さい時はインバータ出力にダンピング要素である抵抗２３を並列に挿入することで、常時高品質の出力供給が可能な電力変換装置を提供することができる。
【００３２】
（実施例７）
以下、本発明の第７の実施例について図面を参照しながら説明する。図１２は本実施例の構成を示すブロック図である。図１２において第６の実施例における図１１の回路構成と異なるのは、出力電圧検知手段２４を設けて出力電流との位相差を検出する位相差検知手段２５の値を制御回路１６内部に取り込み、接続機器の判定処理を行うようにした点である。上記以外の構成要素は第６の実施例と同等であり、詳細な説明を省略する。
【００３３】
以上のように構成された電力変換装置について図を参照して動作を説明する。接続機器が誘導性や容量性の負荷のとき、インバータ４の出力電圧は接続機器及びインバータ４の出力に配置されているリアクトルとコンデンサで決定される周波数で、大きく振動する場合が多い。出力電流検知手段２１で検出された電流波形と出力電圧検知手段２４で検出された電圧波形が位相差検知手段２５で位相差として制御回路１６内部に取り込まれ、この値が遅れ位相と進み位相のしきい値以上の場合、制御回路１６内で誘導性負荷または容量性負荷と判定される。さらに制御回路１６はインバータ４の出力に配置された第３の切換手段２２をオンして、インバータ４出力から見て接続機器と抵抗２３を並列に接続する。すると、抵抗２３がダンピング要素として作用して、出力電圧の振動と騒音を抑えるように作用する。
【００３４】
以上のように本実施例によれば、接続機器が誘導性負荷か容量性負荷である時は、インバータ出力にダンピング要素である抵抗２３を並列に挿入することで、常時高品質の出力供給が可能な電力変換装置を提供することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜７に記載の発明によれば、インバータ出力交流電圧のゼロ点近傍で正弦波を維持することで、接続機器に誤動作を発生させることのない高効率の電力変換装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図２】  同、電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図３】  本発明の第２の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図４】  同、電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図５】  本発明の第３の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図６】  同、電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図７】  本発明の第４の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図８】  同、電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図９】  本発明の第５の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図１０】  同、電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図１１】  本発明の第６の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図１２】  本発明の第７の実施例である電力変換装置の構成を示すブロック図
【図１３】  従来の電力変換装置の構成を示すブロック図
【図１４】  同、電力変換装置の各部動作を示す波形図
【符号の説明】
１１  太陽電池（直流電源）
１２  コンバータ
１３  バッテリ
１４  インバータ
１５  交流出力コンセント
１６  制御回路
１７  第１の切換手段
１８  第１の位相設定手段
１９  第２の切換手段
２０  第２の位相設定手段
２１  出力電流検知手段
２２  第３の切換手段
２３  抵抗
２４  出力電圧検知手段
２５  位相差検知手段
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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