(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側には、直流電源と、直流を高周波電力に変換する第１インバータとを有し、高周波トランスの２次側には、整流手段と、複数のスイッチング素子からなる第２インバータとを有して、商用系統と連系する電力変換装置において、前記第１インバータは容量の異なる第１及び第２共振コンデンサと、第１及び第２スイッチング素子で構成され、前記第１共振コンデンサは、前記高周波トランスの１次側と、直列接続している第２共振コンデンサと第２スイッチング素子とに、それぞれ並列に接続されると共に、第１スイッチング素子と直列に接続され、前記第２インバータの少なくとも１個のスイッチング素子と並列に第３共振コンデンサを配置して、高周波スイッチング時に共振動作を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側には、直流電源と、直流を高周波電力に変換する第１インバータとを有し、高周波トランスの２次側には、整流手段と、複数のスイッチング素子からなる第２インバータとを有して、商用系統と連系する電力変換装置において、前記第１インバータは容量の異なる第１及び第２共振コンデンサと、第１及び第２スイッチング素子で構成され、前記第１共振コンデンサと、直列接続している第２共振コンデンサと第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子とを並列に接続し、第２インバータの少なくとも１個のスイッチング素子と並列に第３共振コンデンサを配置して、高周波スイッチング時に共振動作を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
整流手段以降の直流電圧を検知する直流電圧検知手段の出力と、系統電圧の絶対値を検知する系統電圧検知手段を有し、直流電圧値と系統電圧値の大小に基づいて、第２インバータ制御手段は第２のインバータ動作を商用切換と高周波スイッチングによる変調制御との間で切り換え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】
高周波トランスの２次側に第２整流手段と第３のインバータを配置して、第２インバータと第３インバータの出力が並列に接続されて系統と連系し、いずれか１つのインバータは商用切換だけを行うことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
第１インバータと第２インバータを同一の周波数で駆動することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項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。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来使用している電力変換装置の構成を示す接続図である。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第１インバータ２で高周波電力に変換された後、高周波トランス３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス２次側に発生した高周波電力は整流手段４で直流または脈流に変換され、第２インバータ５で系統６に同期した商用交流電力に変換されて、系統に注入されるものである。ここで、第１インバータはスイッチング素子８と共振コンデンサ７で構成され、第２インバータ５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子のフルブリッジで構成されている。
【０００３】
以下、図１１の波形図を参照して動作を説明する。本従来例では第１インバータ２が太陽電池１の電力を高周波電力に変換する。これは、第１インバータ２のスイッチング素子８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。スイッチング素子８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３に蓄積された励磁エネルギーを共振コンデンサ７との間で充放電することで、スイッチング素子８のコレクタ−エミッタ電圧は図１１に示すように共振波形となる。つぎにスイッチング素子８がターンオンする場合、コレクターエミッタ電圧がゼロでターンオンするゼロ電圧スイッチングを実現している。なお、系統６注入する出力電流を正弦波交流とするために、スイッチング素子８のオン時間は出力電流のピーク付近で大きく、谷間付近では小さくするが、オフ時間はいずれの場合もほぼ一定となり、結果的に周波数変調になっている。なお、整流手段４の出力に発生する電力は商用２倍周波の脈流であり、第２のインバータが商用周期で切換動作を行うことで、系統６に同期した正弦波交流電流が生成される。
【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、正弦波を生成するために第１インバータ２が系統電圧の谷間においてオン時間を小さくした際、高周波トランス３の励磁エネルギーが小さいことからスイッチング素子８のコレクタ−エミッタ電圧の振幅も小さくなり、ゼロ電圧スッチング動作が維持できなくなる。その場合、残留するコレクタ−エミッタ電圧を短絡する動作が必要となり、スイッチング損失が大幅に増加するため、装置の効率が低くなる大きな原因となる。さらに、ノイズ発生レベルも拡大し、フィルタ性能向上のための追加部品が必要になるなど、冷却性能のアップも含めて製品の小形化に限界があるといった課題を有していた。特に出力電力一定の条件において太陽電池１の電圧が高い時は、ゼロ電圧スイッチング動作領域が短くなっていくため、上記課題のレベルがさらに増加するという問題点も有していた。
【０００５】
本発明は、正弦波状の出力電流を生成する１次インバータの変調動作において、ほぼ全領域でゼロ電圧スイッチングを維持して、高効率の電力変換装置を提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側には、直流電源と、直流を高周波電力に変換する第１インバータとを有し、高周波トランスの２次側には、整流手段と、複数のスイッチング素子からなる第２インバータとを有して、商用系統と連系する電力変換装置において、前記第１インバータは容量の異なる第１及び第２共振コンデンサと、第１及び第２スイッチング素子で構成され、前記第１共振コンデンサは、前記高周波トランスの１次側と、直列接続している第２共振コンデンサと第２スイッチング素子とに、それぞれ並列に接続されると共に、第１スイッチング素子と直列に接続され、前記第２インバータの少なくとも１個のスイッチング素子と並列に第３共振コンデンサを配置して、高周波スイッチング時に共振動作を行うことを特徴とする電力変換装置とする。また、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側には、直流電源と、直流を高周波電力に変換する第１インバータとを有し、高周波トランスの２次側には、整流手段と、複数のスイッチング素子からなる第２インバータとを有して、商用系統と連系する電力変換装置において、前記第１インバータは容量の異なる第１及び第２共振コンデンサと、第１及び第２スイッチング素子で構成され、前記第１共振コンデンサと、直列接続している第２共振コンデンサと第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子とを並列に接続し、第２インバータの少なくとも１個のスイッチング素子と並列に第３共振コンデンサを配置して、高周波スイッチング時に共振動作を行うことを特徴とする電力変換装置とする。これにより、出力電流波形成形全領域においてゼロ電圧スイッチングが可能となり、高効率かつ低ノイズの電力変換装置を提供できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側には、直流電源と、直流を高周波電力に変換する第１インバータとを有し、高周波トランスの２次側には、整流手段と、複数のスイッチング素子からなる第２インバータとを有して、商用系統と連系する電力変換装置において、前記第１インバータは容量の異なる第１及び第２共振コンデンサと、第１及び第２スイッチング素子で構成され、前記第１共振コンデンサは、前記高周波トランスの１次側と、直列接続している第２共振コンデンサと第２スイッチング素子とに、それぞれ並列に接続されると共に、第１スイッチング素子と直列に接続され、前記第２インバータの少なくとも１個のスイッチング素子と並列に第３共振コンデンサを配置して、高周波スイッチング時に共振動作を行うことを特徴とする電力変換装置とする。これにより、出力電流波形成形全領域においてゼロ電圧スイッチングが可能となり、高効率かつ低ノイズの電力変換装置を提供できる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側には、直流電源と、直流を高周波電力に変換する第１インバータとを有し、高周波トランスの２次側には、整流手段と、複数のスイッチング素子からなる第２インバータとを有して、商用系統と連系する電力変換装置において、前記第１インバータは容量の異なる第１及び第２共振コンデンサと、第１及び第２スイッチング素子で構成され、前記第１共振コンデンサと、直列接続している第２共振コンデンサと第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子とを並列に接続し、第２インバータの少なくとも１個のスイッチング素子と並列に第３共振コンデンサを配置して、高周波スイッチング時に共振動作を行うことを特徴とする電力変換装置とする。これにより、出力電流波形成形全領域においてゼロ電圧スイッチングが可能となり、高効率かつ低ノイズの電力変換装置を提供できるとともに、第１及び第２スイッチング素子の駆動電位を共通にして、安価な構成でスイッチング素子駆動回路を実現す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記載の電力変換装置において、直流電圧検知手段と、系統電圧検知手段を有し、第２インバータ入力電圧と系統電圧の大小に基づいて、第２のインバータ動作を商用切換と高周波スイッチングによる変調制御との間で切り換えることで、スイッチング損失を常時最小にすることのできる高効率な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１〜３いずれか１項に記載の高周波トランスの２次側に、第２整流手段と第３のインバータを追加して、２次側インバータのうちいずれか１つのインバータは大定格の低速スイッチング素子で商用切換だけを行い、一方のインバータは第１インバータが制御不能な低パワー領域だけ、小定格の高速スイッチング素子で制御分担することで、高効率な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１〜４いずれか１項に記載の第１インバータと第２インバータを、同一の周波数で駆動することで、干渉音が発生することのない静粛性の高い電力変換装置としている。
【００１２】
【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。太陽電池１１で発電した直流電力は第１インバータ１２で高周波電力に変換された後、高周波トランス１３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス２次側に発生した高周波電力は整流手段１４で直流または脈流に変換され、第２インバータ１５で系統１６に同期した商用交流電力に変換されて、系統１６に注入されるものである。ここで、第１インバータ１２は第１スイッチング素子１９と第２スイッチング素子２０、第１共振コンデンサ１７と第２共振コンデンサ１８で構成される。第２スイッチング素子１８と第２共振コンデンサ２０は直列に接続されて、第１共振コンデンサ及び高周波トランス１３の１次巻線と並列に接続されている。また、高周波トランス１３の１次巻線と第１スイッチング素子と入力電圧が直列に接続されている。第２インバータ１５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子のフルブリッジで構成されている。
【００１３】
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。第１インバータは図示したように、スイッチング素子１９の１周期において、オン時はＱａコレクタ−エミッタ電流が徐々に拡大し、電圧２次側に電力を伝達している。スイッチング素子１９がターンオフした際、高周波トランス１３に蓄積された励磁エネルギーは第１共振コンデンサ１７を充電するが、第１共振コンデンサ１７の電圧が第２共振コンデンサ１８の電圧以上になったところで、第２スイッチング素子２０の逆導通ダイオードがオンして、容量の大きい第２の共振コンデンサ１８が充電されるため、第１スイッチング素子１９のコレクタ−エミッタ電圧の増加率が大幅に小さくなる。この間に第２スイッチング素子２０をオンしておく。所定のオフ時間が経過した時点で、第２スイッチング素子をオフすることで、第１共振コンデンサからだけの放電となり第１スイッチング素子１９のエミッタ−コレクタ電圧は急速に小さくなり、ゼロ電圧に到達する。ここで、第１スイッチング素子１９をオンすることでゼロ電圧スイッチングを行い、１周期が完了する。出力電流を正弦波とするには、第１インバータ１２を変調する必要があるため、ピーク付近では第１スイッチング素子のオン時間を大きくして、谷間では小さくするが、第２スイッチング素子２０のオン時間（ダイオード導通期間を含む）を変化させることにより、双方において共にゼロ電圧スイッチングが維持できる。また、周波数も概ね一定に維持している。
【００１４】
以上のように本実施例によれば、出力電流のピークから谷間の広い範囲で第１スイッチング素子のゼロ電圧スイッチングを維持することが可能となることにより、高効率の電力変換装置を実現することができる。
【００１５】
（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において図１の回路構成と異なるのは、第１共振コンデンサ１７と、第２共振コンデンサ１８及び第２スイッチング素子１９を第１スイッチング素子１９と並列に配置した点である。上記以外の構成は第１の実施例と同等であり、同一部分には同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
【００１６】
以上のように構成された電力変換装置について動作を説明する。第１スイッチング素子１９と第２スイッチング素子２０のエミッタは共通であり、通常２０Ｖ程度の駆動電源は共通の電源で動作している。第１スイッチング素子１９の１周期の動作において、太陽電池１１と並列に配置したコンデンサがオフ時の電流ループに挿入されることになるが、第２共振コンデンサ２０に比較しても大幅に大きな電源平滑用コンデンサ（数千μＦ程度）であるため、共振動作への影響はない。
【００１７】
以上のように本実施例によれば、１つの電源で第１及び第２スイッチング素子の駆動が可能となるため、安価な駆動回路で構成可能な電力変換装置を実現することができる。
【００１８】
（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４は本実施例の構成を示すブロック図である。図４において実施例１の図１の回路構成と異なるのは太陽電池電圧を検知して制御回路に取り込み、第１スイッチング素子１９を制御する制御回路２１を追加した点である。上記以外の構成は第１の実施例と同等であり、同一部分には同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
【００１９】
以上のように構成された電力変換装置について動作を説明する。太陽電池１１の電圧を検知した制御回路２１は、電圧が高いときは出力する最小パルス幅を大きくし、第１スイッチング素子１９を動作させる。電圧が高いときにパルス幅を小さくしすぎると、第１スイッチング素子１９のターオフ時に高周波トランス１３の励磁エネルギーが小さくなるため、第１共振コンデンサ１７との間で充放電した際、必要な電圧振幅が得られなくなり、ゼロ電圧スイッチングが維持できなくなる。
【００２０】
以上のように本実施例によれば、太陽電池１１の電圧を検知して、電圧レベルに応じて第１スイッチング素子の動作可能な最小パルス幅を大きく設定することで、常時ゼロ電圧スイッチングを維持して、高効率な電力変換装置を提供することができる。
【００２１】
（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において実施例１の図１の回路構成と異なるのは、第２インバータ１５に共振コイル２２と第３共振コンデンサ２３を追加して、高周波動作時に第２インバータ１５（Ｑ１とＱ２）のゼロ電圧スイッチングを実現した点である。上記以外の構成は第３の実施例と同等であり、同一部分には同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
【００２２】
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。１次インバータ１２は高周波電力生成とともに、変調によって波形制御を行うが、ゼロ電圧スイッチングを維持する上で、例えば太陽電池１１の電圧が高いときは最小オン時間に限界があるため、交流電流の谷間の波形を生成することは困難となり、その時は２次インバータ１５が高周波スイッチングで波形成形を行っている。２次インバータ１５のＱ１がターンオフした場合、共振コイル２２に蓄積されたエネルギーは第３共振コンデンサ２３を放電し、Ｑ２のコレクタ−エミッタ電圧は徐々に小さくなり、Ｑ２の逆導通ダイオードがオンした時点でＱ２をオンする。つぎにＱ２がターンオフした場合、共振コイル２２に蓄積されたエネルギーは第３共振コンデンサ２３を充電し、Ｑ１のコレクタ−エミッタ電圧は徐々に小さくなり、Ｑ１の逆導通ダイオードがオンした時点でＱ１をオンする。この動作により、第２インバータ１５のゼロ電圧スイッチング化が図れる。なお、Ｑ３とＱ４は系統１６に同期して商用切換されている。
【００２３】
以上のように本実施例によれば第２インバータに共振コイルと第３共振コンデンサを追加して、高周波動作時に第２インバータ（Ｑ１とＱ２）のゼロ電圧スイッチング動作を導入して、高効率の電力変換装置を実現することができる。
【００２４】
（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において実施例１の図１の回路構成と異なるのは第２インバータ１５の入力電圧を検知する直流電圧検知手段２４と系統１６の電圧を検知する系統電圧検知手段２５を配置して、得られた値に基づき、第２インバータ制御手段２６でＱ１、Ｑ２，Ｑ３、Ｑ４を制御するようにした点である。上記以外の構成は第４の実施例と同等であり、同一部分には同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
【００２５】
以上のように構成された電力変換装置について動作を説明する。直流電圧検知手段２４と系統電圧検知手段２５から得られた第２インバータ入力電圧と系統電圧の絶対値のそれぞれ瞬時値を比較して、入力電圧＞｜系統電圧｜の時は、１次インバータ１２が全領域波形制御が出来ない状態と判断し、第２インバータ１５は高周波スイッチングにより波形制御を行う。また入力電圧＜｜系統電圧｜の時は、１次インバータ１２が全領域波形制御できると判断し、第２インバータ１５は系統に同期して商用切換を行う。
【００２６】
以上のように本実施例によれば、第２インバータ入力電圧と系統電圧の絶対値のそれぞれ瞬時値を比較して、精度良く第２インバータの動作を切り換えることでスイッチング損失を常時最小にすることが可能な高効率の電力変換装置を実現することができる。
【００２７】
（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８は本実施例の構成を示すブロック図である。図８において実施例１の図１の回路構成と異なるのは高周波トランス１３の２次側に第２整流手段２７と第３インバータ２８を配置し、出力を第２インバータ１５と並列接続した点である。上記以外の構成は第５の実施例と同等であり、同一部分には同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
【００２８】
以上のように構成された電力変換装置について動作を説明する。第１インバータ１２で生成された高周波電力は、高周波トランス１３の２次側において第２インバータ１５または第３インバータ２８のいずれかを通過して系統１６に注入されている。第２インバータ１５は商用切換専用として、低速だがオン電圧またはオン抵抗の低いスイッチング素子で構成する。また、第３インバータ２８は高周波スイッチング専用として、第２インバータ１５に比べて高速なスイッチング素子を使用する。それぞれのインバータの分担として、交流電流のピーク付近は第２インバータ１５が担当し、谷間については第３インバータ２８が制御分担する。谷間電力は小さいことから、第３インバータ２８の定格を第２インバータ１５に比べて小さくできることは言うまでもない。
【００２９】
以上のように本実施例によれば、系統に注入する交流電流波形を定格と動作にの異なる複数インバータで別々に生成することで、損失を低減した高効率の電力変換装置を提供することができる。
【００３０】
（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９は本実施例の動作を示す波形図である。構成は第６の実施例と同等であり、同一部分には同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
【００３１】
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。系統１６に注入する交流出力電流の谷間では、第１インバータ１２と第２インバータ１５が共に高周波スイッチングを行う。２つのインバータの動作周波数を一致させることで、近接するインバータの動作周波数の差で発生する干渉音がなくなる。
【００３２】
以上のように本実施例によれば、第１インバータと第２インバータの動作周波数を一致させることにより、干渉音の発生しない静粛性の高い電力変換装置を提供することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、インバータに共振コンデンサと補助用のスイッチング素子を追加して複数のスイッチング動作を行わせることで、系統に同期交流電力を注入する系統連系インバータとして、入力条件に関わらず常時ゼロ電圧スイッチングで低損失化が可能な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】  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５】  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８】  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９】  本発明の第７の実施例である電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図１０】  従来の電力変換装置の構成を示すブロック図
【図１１】  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】
１１  太陽電池
１２  第１インバータ
１３  高周波トランス
１４  整流手段
１５  第２インバータ
１６  系統
１７  第１共振コンデンサ
１８  第２共振コンデンサ
１９  第１スイッチング素子
２０  第２スイッチング素子
２１  制御回路
２２  共振コイル
２３  第３共振コンデンサ
２４  直流電圧検知手段
２５  系統電圧検知手段
２６  第２インバータ制御手段
２７  第２整流手段
２８  第３インバータ
【図１】
0003823833.tif 000002
【図２】
0003823833.tif 000003
【図３】
0003823833.tif 000004
【図４】
0003823833.tif 000005
【図５】
0003823833.tif 000006
【図６】
0003823833.tif 000007
【図７】
0003823833.tif 000008
【図８】
0003823833.tif 000009
【図９】
0003823833.tif 000010
【図１０】
0003823833.tif 000011
【図１１】
0003823833.tif 000012