CN107070268A - 电力转换机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力转换机装置。该电力转换装置具备确保大的静电容量并且实现小型化的滤波电容器。该电力转换装置由直流电源、与上述直流电源连接的第一滤波电容器、与上述第一滤波电容器并联连接的第二滤波电容器、与上述第一滤波电容器以及上述第二滤波电容器连接的开关元件而构成，在该电力转换装置中具备第一滤波电容器比第二滤波电容器的脉动耐量大的电容器。

Description

电力转换机装置
技术领域
本发明涉及一种电力转换装置以及电力转换方法，特别涉及适用于具备滤波电容器并进行电力转换的电力转换装置以及电力转换方法。
背景技术
大多进行以下的电力转换，即通过转换器将工业用电源等的交流转换为直流，进一步经由逆变器从通过滤波电容器而被滤波的直流电转换为交流并提供给负荷。如果负荷是电动机，则将可变电压可变频率的电力提供给电动机并进行驱动。转换器以及逆变器使用半导体元件。在处理多相电力时，由各相上下一对的开关元件构成并通过上下交互进行开关来进行电力转换。
作为构成转换器以及逆变器的开关元件，例如在各个领域使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等高速半导体开关元件。近年来，由于半导体技术的进步实现了大容量的半导体模块，在转换器或逆变器中广泛普及一种将半导体开关元件一体化的半导体模块。
例如在日本特开2015-23641号公报中记载了这种由开关元件构成转换器以及逆变器并进行电力转换的技术。
专利文献1：日本特开2015-23641号公报
发明内容
在电力转换时，在通过转换器将交流转换为直流的过程中需要使用滤波电容器进行滤波。该滤波电容器一般使用电解电容器等单位体积的静电容量高且容易达成需要的静电容量的电容器。特别在因高电压要求高电流的规格的设备中并联连接多个电解电容器来使用。
但是，这些电解电容器等单位体积的静电容量高的电容器一般由于电容器的内部电阻值大，因此脉动电流的容许值低。另外，特别是电解电容器产生元件内部的电解液的枯竭现象，静电容量下降，由于电容器内部电阻的增大而阻抗变得极端地大，与其他部件相比有寿命短的趋势。
进一步，在通过并列连接多个电容器而使静电容量增大时，有可能由于电容器的静电容量和电容器间的配线电感以及电容器的内部电感而产生LC共振现象。当共振频率和开关元件的开关频率和其整数倍的频率一致时，共振路径的阻抗变小，电容器电流大幅增大。当电容器电流增大时，原件发热变高，元件寿命有可能降低。
为了解决上述问题点的任意一个，本发明的目的在于提供电力转换装置以及电力转换方法，至少削减滤波电容器占有的体积并实现小型化，而且脉动电流的容许值高。
为了达成上述目的，本发明具有：转换器部，其通过开关将交流转换为直流；滤波电容器部，其将通过上述转换器转换后的直流进行滤波；以及逆变器部，其通过开关元件将上述滤波后的直流转换为交流，上述滤波电容器部由转换器侧滤波电容器、逆变器侧滤波电容器以及夹在上述转换器侧电容器和上述逆变器侧电容器之间的中央侧滤波电容器组成。上述转换器侧滤波电容器构成为具有比上述中央侧滤波电容器大的脉动耐量，上述逆变器侧滤波电容器构成为具有比上述中央侧滤波电容器要大的脉动耐量。
根据本发明，一边削减在电力转换装置中滤波电容器所占的体积，一边能够提高脉动电流的容许值。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的电力转换装置结构的图。
图2是表示本发明实施例1的电力转换装置结构的图。
图3是表示本发明实施例2的电力转换装置结构的图。
图4是表示电容器的元件寿命的温度特性的图。
图5是表示本发明实施例3的结构中的LC共振路径的图。
图6是表示本发明实施例3的结构中的LC共振路径的共振峰值的图。
图7是表示频率的共振特性的图。
图8是表示本发明实施例3的变形例的图。
图9是表示变形例的LC共振的路径的图。
图10是表示频率的共振特性的图。
图11是表示本发明实施例4的结构的图。
图12是表示包括共振路径抑制用阻尼电阻的滤波电容器的结构的图。
附图的标记说明
1a：输入端子P、1b：输入端子N、2：开关元件、4：滤波电容器、41：第一滤波电容器、42：第二滤波电容器、5：交流电源、6：负荷、71：高温区域、72：低温区域、8：电容器冷却装置、9：连接滤波电容器间的配线电感、411：第一滤波电容器中第一并联的滤波电容器、412：第一滤波电容器中第二并联的滤波电容器、413：第一滤波电容器中第三并联的滤波电容器、414：第一滤波电容器中第四并联的滤波电容器、10：电容器411以及电容器412间的共振路径1、11：电容器412以及电容器42间的共振路径、12：电容器411以及电容器42间的共振路径、13：电容器411以及电容器414间的共振路径、15：电容器413以及电容器414间的共振路径、16：电容器411以及电容器412、电容器413、电容器414间的共振路径、17：电容器411以及电容器413间的共振路径、18：电容器412以及电容器414间的共振路径、19：共振路径的阻尼电阻、101：逆变器、102：转换器。
具体实施方式
以下使用附图说明本发明的实施例，各图中相同部分赋予相同标记。
图1以及图2表示本发明实施例1的电力转换装置的结构。实施例1中的电力转换装置由图1所示的转换器(也称为转换器部)102、图2所示的滤波电容器(也称为滤波电容器部)4以及逆变器(也称为逆变器部)101构成。通过转换器102从工业用电源(电力系统)7将三相交流转换为直流，经由逆变器101将通过滤波电容器4进行滤波后的直流电逆转换为三相的交流(输出)，并将电力提供给电动机等负荷6。当负荷6为电动机时成为提供可变电压、可变频率的电力的结构。
图1中转换器102进行从直流向交流的转换。转换器102由各相上下一对的开关元件构成。输入端子1a、1b之间连接有转换器102。该转换器102由IGBT(Insulated GateBipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)和MOSFET等开关元件2(将开关元件3-1P、3-1N、开关元件3-2P、3-2N、开关元件3-3P、3-3N总称为开关元件3)构成。以下将IGBT作为代表进行说明。将在IGBT上逆并联地安装续流二极管(FWD)而得的部件称为开关元件。如后所述，滤波电容器4与转换器102并联连接，进一步经由逆换器101与负荷6连接。
工业用电源7的U相、V相、W相分别与开关元件3-1P和3-1N的连接点、开关元件3-2P和3-2N的连接点、开关元件3-3P和3-3N的连接点连接。另一方面，开关元件3-1P的另一侧和开关元件3-2P的另外一侧以及开关元件3-3P的另外一侧与正侧端子1a连接。开关元件3-1N的另一侧和开关元件3-2N的另外一侧以及开关元件3-3N的另外一侧与负侧端子1b连接。
在转换器102中开关元件2通过PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)等的开关将从工业用电源7提供的交流电转换为直流电。转换器102通过未图示的栅极驱动电路以及栅极控制电路上下交互地进行开关，从而进行电力转换。通过未图示的PWM控制电路比较调制波和载波并通过PWM调制来控制转换器102。通过该控制，比较滤波电容器4的电压和目标值并通过反馈控制将滤波电容器4的电压维持在目标值。
这里，作为将交流转换为直流的技术，使用二极管将输入的交流电进行整流，与使用了将扼流线圈配置在滤波电路上的扼流圈输入型滤波电路的例子相比，本实施例是使用了开关元件(带续流二极管(FWD))的PWM转换器，存在PWM的载波频率等谐波成分，因此即使是没有扼流线圈的状态也能够只通过配线电感达到与扼流输入型滤波电路相同的阻抗。
图2中，在输入端子1a、1b之间连接有滤波电容器4(第一滤波电容器41-a、第二滤波电容器42、第三滤波电容器41-b的总称)。从转换器102侧向逆变器101侧按照第三滤波电容器(转换器侧电容器)41-b、第二滤波电容器42(中央侧电容器)、第一滤波电容器41-a(逆变器侧电容器)的顺序进行连接。这里，通过标记41表示第一滤波电容器41-a(逆变器侧电容器)以及第三滤波电容器(转换器侧电容器)41-b，总称为转换器侧电容器41。另外，滤波电容器4(第一滤波电容器41-a、第二滤波电容器42、第三滤波电容器41-b)都是作为滤波电容器发挥功能的电容器，当滤波电容器的静电容量有±10％左右的制造偏差时，如果说是大容量的电力转换装置则滤波电容器为mF数量级。关于这点，如果说是大容量的电力转换装置，则其功能与用于吸收关断开关元件时的跃升电压(ΔV＝Ldi.dt)的电容器即几个10uF程度的缓冲器(snubber)的功能不同。
第一滤波电容器(逆变器侧电容器)41-a和第三滤波电容器(转换器侧电容器)41-b由薄膜电容器而构成。另外，也可以用陶瓷电容器代替薄膜电容器。薄膜电容器是在电介质上使用了塑料薄膜的电容器，作为塑料薄膜材料，有聚对苯二甲酸乙二酯和聚丙烯、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯等材料。
一般薄膜电容器和陶器电容器与电解电容器相比，电容器的内部电阻值小，因此脉动电流的容许值高。进一步，电解电容器产生元件内部的电解液的枯竭现象，静电容量下降，由于电容器内部电阻的增大阻抗变得极端大，与其他部件相比寿命短，但是薄膜电容器和陶瓷电容器的寿命长。以下以薄膜电容器为代表进行说明。
第二滤波电容器42(中央侧电容器)由电解电容器构成。电解电容器通过在电极表面进行化学处理来形成绝缘体、半导体的薄膜，将其作为电介质，有铝电解电容器、钽电解电容器、铌电容器等几种。电解电容器与薄膜电容器相比，单位体积的静电容量高，对达成必要的静电容量有利，能够缩小体积，并能够使电力转换器的尺寸小型化。
图2中，端子1a、1b之间连接有逆变器101。该逆变器101与转换器102同样由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET等开关元件2(开关元件2-1P、2-1N、开关元件2-2P、2-2N、开关元件2-3P、2-3N的总称)构成。负荷6与逆变器101连接。以下以IGBT为代表进行说明。
开关元件2-1P和2-1N的连接点与负荷6(例如电动机)的U相连接，开关元件2-2P和2-2N的连接点与负荷6的V相连接，开关元件2-3P和2-3N的连接点分别与负荷6的W相连接。另一方面，开关元件2-1P的另一侧和开关元件2-2P的另外一侧以及开关元件2-3P的另外一侧与正侧端子1a连接。开关元件2-1N的另一侧和开关元件2-2N的另外一侧以及开关元件2-3N的另外一侧与负侧端子1b连接。
开关元件2通过PWM等开关将端子1a、1b间的直流电转换为交流电，输出给负荷6。逆变器101通过未图示的栅极驱动电路以及栅极控制电路上下交互进行开关由此来进行电力转换。通过未图示的PWM控制电路比较调制波和载波以PWM调制来控制逆变器101。通过该控制进行以下控制，即将端子1a、1b间的直流电转换为成为目标的希望的频率和电压后输出。
滤波电容器4例如在大容量的电力装置中成为mF数量级的容量。能够选择第一滤波电容器41-a、第二滤波电容器42、第三滤波电容器41-b各自的静电容量相等(第一选择)。另外，能够选择第一滤波电容器41-a与第三滤波电容器41-b的静电容量的和与第二滤波电容器42的静电容量相等(第二选择)。另外，在第一选择条件和第二选择条件的中间的条件下，能够选择第一滤波电容器41-a、第二滤波电容器42、第三滤波电容器41-b各自的静电容量(第三选择)。
这样，特性不同的第一滤波电容器(第三滤波电容器)41与第二滤波电容器42并联连接。第一电容器以及第二电容器可以多个并联连接或串联连接而构成。
在本发明的实施例1中，如图2所示，例如特性不同的静电容量相等的2种第一滤波电容器(第三滤波电容器)41和第二滤波电容器42并联连接而构成。通过这样构成，例如为了与高输出的电力转换装置的脉动电流对应，通过第一滤波电容器(第三电容器)41确保脉动电流，为了与高输出的电力转换装置的静电容量对应，通过第二滤波电容器42确保静电容量。
一般作为第一滤波电容器(第三滤波电容器)而使用的薄膜电容器由于电容器内部的等价串联电阻小，脉动电流的容许值大，因此在如大容量的电力转换装置那样流过电容器的脉动电流大的情况下，能够削减电容器的并联数量。
另外，薄膜电容器的耐压高，因此在如高电压的电力转换装置那样与电容器相关的电压高时，能够削减电容器的串联数量，作为结果能够削减电容器所占有的体积。
另一方面，薄膜电容器的单位体积的静电容量小，因此在用于大容量的电力转换装置时，为了达到电容器所需要的静电容量，不得不并联连接多个电容器。作为结果，在将薄膜电容器适用于大容量转换装置时，滤波电容器的体积有变大的趋势。另一方面，作为第二滤波电容器42而使用的电解电容器的单位体积的静电容量比上述的薄膜电容器大，因此即使在为了达到所需的静电容量而并联连接多个电容器的情况下，与薄膜电容器的情况相比，也能够减少并联数量，能够削减电容器所占有的体积。
电解电容器的电容器内部的等价串联电阻大，因此脉动电流容许值低，为了达到所需的脉动电流容许值需要并联连接多个电容器。作为结果，在滤波电容器中使用电解电容器时，削减用于满足静电容量的并联数量，另一方面，由于其脉动电流容许值低，因此并联数量增大，电容器的静电容量有变得比需要的要大的趋势。
由此，第一滤波电容器(第三滤波电容器)41即薄膜电容器能够减少为了确保脉动电流的并联连接的电容器的数量。另外，能够吸收由于开关元件2的开关产生的脉动电流。
另一方面，第二滤波电容器42即电解电容器不需要吸收脉动电流，而能够确保为了抑制负荷的再生能源的吸收和电容器的电压变动而确保必要的静电容量。
因此，将特性不同的2种第一滤波电容器41(第三滤波电容器)和第二滤波电容器42并联连接而构成，从而与只通过薄膜电容器构成滤波电容器的情况相比，能够成为1/2左右的电容器体积。另外，与通过所有电解电容器构成的情况相比，能够成为2/3左右的体积。
另外，陶瓷电容器和薄膜电容器同样与电解电容器比较，单位体积的容量密度较差，但是脉动电流容许值大，因此将陶瓷电容器用于第一滤波电容器(第三滤波电容器)41，由此能够削减电容器的体积。
在从交流电源向直流电源转换时，使用开关元件进行整流，因此能够无需额外配置扼流线圈而构成能够进行整流的转换装置。
[实施例2]
图3是表示本发明实施例2的电力转换装置的结构的图。只说明与实施例1不同的部分。省略了说明的部分与实施例1相同。
在图3所示的实施例2中，转换器102以及逆变器101的结构与实施例1相同，但是第二滤波电容器42是具备冷却装置8的结构，在高温区域71配置滤波电容器41，在低温区域72配置滤波电容器42。
图4是表示电容器的寿命温度特性的图。电容器按照阿列纽斯(Arrhenius)定律，有如果使用温度上升10°则元件寿命为一半，如果下降10°则寿命为2倍的特性，使用实际使用时的最高使用温度的寿命L0以及最高使用温度Tmax、周围温度Ta，通过以下公式表示元件寿命L。
L＝L0×2(Tmax-Ta)/10
一般，电容器的温度上升Tmax-Ta通过由于脉动电流而产生的损失来决定，但是周围温度Ta越低，元件寿命则越增加。另外，有以下问题，即开关元件由于其进行开关造成的开关损耗和导通时产生的导通损耗而有比其他部件的温度上升变高的趋势，开关元件附近与其他区域相比温度上升较高。
在本发明的实施例2中，如图3所示在配置在高温区域71的第一滤波电容器(第三滤波电容器)41中具备元件寿命长的薄膜电容器，配置在低温区域的第二滤波电容器42具备元件寿命低的电解电容器，由此与高温区域具备电解电容器的情况相比，电容器寿命飞速增大，结果实现电力转换装置整体的高寿命。
[实施例3]
图5是表示本发明实施例3的电力转换装置中滤波电容器4的结构的图。其他部分与实施例1以及实施例2同样所以省略说明。
图5所示的实施例3的滤波电容器4的结构为，将构成第一滤波电容器(第三滤波电容器)41的滤波电容器411以及412设为薄膜电容器，使电解电容器与第二滤波电容器42并联连接。在该图中，省略第三滤波电容器41-b的记载，但是与第一滤波电容器41-a同样由滤波电容器411以及412的并联电路而构成。
图6是实施例3的共振路径。另外，为了成为与图9所示的滤波电容器4相同的静电容量，图6的滤波电容器42为具有滤波电容器411以及滤波电容器412二倍的静电容量。另外，滤波电容器411以及412的静电容量相等。也可以构成为使滤波电容器411以及412的静电容量在达成希望目的的范围内不同。
在并联连接多个电容器时，产生由于电容器的静电容量和电容器间的配线电感造成的LC共振，但是LC共振由各电容器间的配线电感来决定，本发明实施例3的共振路径为图6所示的共振路径10以及共振路径11、共振路径12的三个共振路径。其结果如图7所示，共振特性在3个频率f1，f2，f3中存在共振峰值。频率f1中的共振峰值是图7的共振路径12引起的，频率f2中的共振峰值是图7的共振路径11引起的，频率f3中的频率是共振路径10引起的。
另一方面，图8表示变形例，关于滤波电容器4，表示将第一滤波电容器(第三滤波电容器)41的具有相同静电容量的滤波电容器411、412、413、414做成了薄膜电容器的结构(其他部分是同样的结构)。也可以构成为使静电容量在达成希望目的的范围而不同。薄膜电容器与电解电容器相比单位体积的容量密度低，因此为了实现所需要的静电容量，与组合了电解电容器的情况相比，电容器的并联数量增加。其结果为，图5中成为三并联的滤波电容器为了确保静电容量而增加到四并联。图9表示在滤波电容器中使用了薄膜电容器时的共振路径，但是在图6为三个的共振路径在图9中共振路径成为共振路径10、共振路径13、共振路径14、共振路径15、共振路径16、共振路径17、共振路径18共7个。其中，共振路径10以及共振路径14、共振路径15由于相同的静电容量和寄生电感而成为相同的共振频率。另外，共振路径17以及共振路径18由于相同的静电容量和寄生电感而成为相同的频率。因此，如图10所示，共振峰值存在于4个频率f1、f2、f3、f4，共振引起电容器电流增加。
在本发明的实施例3中，通过薄膜电容器和电解电容器构成滤波电容器4，由此于只通过薄膜电容器构成滤波电容器4的情况相比，电容器的并联数量降低，LC共振的路径减少，共振峰值的数量减少，由此抑制电容器的脉动电流。
[实施例4]
图11是表示本发明实施例4的电力转换装置的电容器部的结构的图。图11所示的滤波电容器4的结构为，第二滤波电容器42将多个电解电容器421、422串联连接。在该图中省略了第三滤波电容器41-b的记载，但是由与第一滤波电容器41-a同样的滤波电容器而构成。
一般通过因电容器的等价串联电阻和脉动电流而产生的损耗来决定电容器中流动的脉动电流的寿命，如果电容器的等价串联电阻高则损失增大，元件寿命恶化。
另外，已知脉动电流因由多个电容器的静电容量和连接这些电容器的配线电感而决定的LC共振而增大。作为对此的对策，在变形例中，如图12所示，在第一滤波电容器(第三滤波电容器)41中由3个电解电容器411、412、413构成(其他部分为相同的结构)。已知通过在共振路径设置阻尼电阻19，能够抑制由于共振造成的增大。
但是，会产生以下问题，即在共振路径中设置阻尼电阻时，由于流到主电路部的电流而使电阻部的损耗增加，电力转换装置整体的效率下降。
在实施例4中，为了充分确保电容器的耐压，串联连接多个耐压低的电解电容器，由此能够兼做共振路径的阻尼电阻。
作为结果，在共振路径中不具备阻尼电阻而抑制电容器的脉动电流，由此能够实现装置的小型化、低成本化。

Claims (8)

1.一种电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具有：
转换器部，其通过开关元件将交流转换为直流；
滤波电容器部，其将通过上述转换器部转换后的直流进行滤波；以及
逆变器部，其通过开关元件将上述滤波后的直流转换为交流，
上述滤波电容器部由转换器侧滤波电容器、逆变器侧滤波电容器以及夹在上述转换器侧电容器和上述逆变器侧电容器之间的中央侧滤波电容器组成，
上述转换器侧滤波电容器构成为具有比上述中央侧滤波电容器大的脉动耐量，上述逆变器侧滤波电容器构成为具有比上述中央侧滤波电容器大的脉动耐量。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具有用于冷却上述中央侧滤波电容器的装置。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述中央侧滤波电容器串联连接多个电容器。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述中央侧滤波电容器是电解电容器，上述转换器侧滤波电容器和上述逆变器侧滤波电容器是薄膜电容器或陶瓷电容器。
5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述转换器侧滤波电容器或上述逆变器侧滤波电容器将电容器并联而构成。
6.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述转换器侧滤波电容器或上述逆变器侧滤波电容器将3个以上电容器并联而构成。
7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
在包括任意一个上述滤波电容器而组成的共振路径上设置阻尼电阻。
8.一种电力转换方法，其特征在于，
在转换器部通过开关元件将交流转换为直流，在滤波电容器部将通过上述转换器转换后的直流进行滤波，在逆变器部通过开关元件将上述滤波后的直流转换为交流，上述滤波电容器部构成为转换器侧滤波电容器或逆变器侧滤波电容器具有比中央侧电容器大的脉动耐量。
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