JP2009533013A - 低スイッチング損失および高寿命を有する省スペース型インバータ - Google Patents

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Abstract

本発明は、インバータ、特にソーラーインバータに関する。本発明によれば、インバータは、昇圧チョッパ（４）と、他励可制御変換器（２）と、フィルタ（６）とを有し、フィルタ（６）が他励可制御変換器（２）の交流電圧側端子（１２，１４，１６）に接続され、昇圧チョッパ（４）の出力側が他励可制御変換器（２）の直流電圧側端子（８，１０）に接続され、他励可制御変換器（２）の各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）の変換器弁（Ｔ１，Ｔ２；Ｔ３，Ｔ４；Ｔ５，Ｔ６）としてそれぞれ逆並列接続されたダイオード（３０）を備えたターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（２８）が設けられ、これらのターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（２８）の制御側が制御装置（３２）に接続され、制御装置（３２）の入力に系統（１８）の求められた相電圧が印加される。それによって、低コストのスペース節約型のインバータ、特にソーラーインバータが得られる。

Description

本発明は、インバータ、特にソーラーインバータに関する。
多くの再生エネルギー源において、エネルギーが直流電圧源から系統、とりわけ３相交流系統へ供給される。このためには直流を交流に変換することを可能にするインバータが必要である。再生エネルギー源として太陽光発電装置が使用される場合には、太陽光発電装置により発生されたエネルギーを系統へ供給するインバータはソーラーインバータと呼ばれ、市販されている。
市販されているソーラーインバータは自励パルス幅変調変換器を有する。この変換器の交流電圧側は、多相リアクトル回路により再生エネルギーを受け入れる系統に連系されている。直流電圧側では、この自励パルス幅変調変換器に少なくとも１つの電解コンデンサが電気的に並列に接続されている。この自励パルス幅変調変換器の制御装置が、制御側において、それぞれ自励パルス幅変調変換器のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチに導電接続され、入力側にはエネルギーを受け入れる系統の測定された相電圧および相電流が印加されている。
この種の市場で得られるソーラーインバータにおける電解コンデンサの使用によって、このソーラーインバータの寿命が制限されている。この寿命は２・３万運転時間しかない。更に、このソーラーインバータは、無視し得ないスペースを要求する系統リアクトルを必要とする。更に制御装置が贅沢で、したがって高コストである。
このような市販のソーラーインバータは、例えば、ＵＰＳ装置とも呼ばれる無停電電源装置のインバータにより構成されている。それによってソーラーインバータの開発コストが節約されている。ＵＰＳ装置のインバータのこのような第２使用は考慮に値する。なぜならば、一方ではＵＰＳ装置のインバータが同様にエネルギーをバッテリーから系統へ供給し、他方ではＵＰＳ装置が整流器、電圧中間回路およびインバータのような個別の構成部品から構成されているからである。それによって、ＵＰＳ装置の構成部品「インバータ」が意のままになるからである。
本発明の課題は、ソーラーインバータを低コスト省スペース型にするインバータを提供することにある。
この課題は本発明によれば請求項１の特徴事項により解決される。
インバータが他励可制御変換器を有し、この他励可制御変換器が直流電圧側に昇圧チョッパを備えかつ交流電圧側にフィルタを備えることによって、このインバータは電解コンデンサおよび系統リアクトルをもはや持たない。それによって、インバータの寿命が著しく増し、スペース要求が著しく少ない。自励パルス幅変調変換器の代わりに他励可制御変換器が使用されるので、贅沢な制御装置が簡単な制御装置に置き換えられる。この簡単な制御装置は、エネルギーを受け入れる系統の相電圧を必要とするだけである。
他励可制御変換器は、２００３年５月にニュルンベルクにおける学会「ＰＣＩＭ２００３」の学会論文集に掲載された刊行物“Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（Ｆ3Ｅ）−ａ ＤＣ−ｌｉｎｋ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｌｅｃｔｒｏｋｙｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒ”から公知である。
本発明は、ソーラーインバータの構成のために、このコンデンサなしの電圧中間回路コンバータのうち負荷側の自励パルス幅変調変換器を、昇圧チョッパ、特に高周波でクロック制御される昇圧チョッパによって置き換えることにある。この昇圧チョッパの両入力端子には太陽光発電装置を接続することができる。この昇圧チョッパにより、このインバータは、太陽光発電装置が常に最大電力点（ＭＰＰ＝Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）の動作点にあるように制御可能である。
本発明によるインバータの有利な実施態様では、昇圧チョッパは入力側にコンデンサを備えている。このコンデンサは太陽光発電装置の電圧変動を予め定められた時間範囲において平均化する。
昇圧チョッパは、教科書から知られているように、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ、逆流防止ダイオード、蓄積リアクトルおよび平滑コンデンサを有し、これらは公知のように互いに接続されて昇圧チョッパを構成している。蓄積リアクトルの構造寸法ができるだけ少なくなるように、この昇圧チョッパは高周波でクロック制御される。クロック周波数が高いほど、蓄積リアクトルの構造寸法が小さい。クロック周波数の増大により、同様にターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチのスイッチング損失も増大する。このスイッチング損失を低減するために、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチとして、シリコンカーバイトからなるターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチが設けられる。ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチとしてエンハンスメント形ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはシリコンカーバイドからなる逆並列接続されたダイオードを備えたシリコンからなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が使用される。スイッチング損失の低減によって、昇圧チョッパのターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチは却装置しか必要とせず、この冷却装置は僅かなスペースしか要求しないので、本発明によるインバータは公知のインバータに対して著しく少ないスペースで済む。
本発明の更なる説明のために、本発明によるインバータの実施例が概略的に示されている図面を参照する。
この図の等価回路図によれば本発明によるインバータ、特にソーラーインバータは、交流電圧側のフィルタ６と直流電圧側の昇圧チョッパ４とを備えた他励可制御変換器２を有する。この昇圧チョッパ４の出力側は他励可制御変換器２の直流電圧側端子８，１０に接続されている。フィルタ６は、他励可制御変換器２の交流電圧側端子１２，１４，１６に導電接続されている。これらの接続端子１２，１４，１６には、同様に、直流電圧源２０、例えば再生エネルギー源からのエネルギーを受け入れる系統１８が接続されている。
インバータの直流電圧側端子２２，２４に他励可制御変換器２の直流電圧側を導電接続する昇圧チョッパ４は、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSと、逆流阻止ダイオードＤHSと蓄積リアクトルＬSと、平滑コンデンサＣGlとを有する。ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSおよび逆流防止ダイオードＤHSは電気的に直列に接続されている。この直列回路に電気的に並列に平滑コンデンサＣG1が接続されている。それによって、この平滑コンデンサＣGlは、同様に他励可制御変換器２の直流電圧側端子８，１０に電気的に並列に接続されている。ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSと逆流防止ダイオードＤHSとの直列回路の接続点２６は、蓄積リアクトルＬSによりインバータの直流電圧側端子２２に接続されている。直流電圧源２０として太陽光発電装置が使用される場合には、供給される直流電圧ＵDCが予め定められた時間範囲（昼間経過）にわたって変動する。これらの電圧変動をほぼ平滑するために、インバータの直流電圧側端子２２，２４に電気的に並列に第２の平滑コンデンサＣG2が接続されている。
他励可制御変換器２は、変換器弁Ｔ１，…，Ｔ６として、それぞれ１つのターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ２８、特に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有し、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ２８にはそれぞれ１つのダイオード３０が逆並列に接続されている。それぞれ２つの変換器弁Ｔ１，Ｔ２もしくはＴ３，Ｔ４もしくはＴ５，Ｔ６が変換器相ＲもしくはＳもしくはＴとも呼ばれるブリッジアームを形成している。１つの変換器相ＲもしくはＳもしくはＴの２つの電気的に直列に接続された変換器弁Ｔ１，Ｔ２もしくはＴ３，Ｔ４もしくはＴ５，Ｔ６のそれぞれの接続点は、他励可制御変換器２の交流電圧側端子１２もしくは１４もしくは１６を形成している。これらの端子１２，１４，１６には一方ではフィルタ６が、他方ではエネルギーを受け入れる系統１８が接続されている。
フィルタ６は３つのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を有し、これらのコンデンサは、ここでは電気的にスター結線されている。しかしながら、これらは電気的にデルタ結線されてもよい。更に、このフィルタ６は３つの減衰抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を有し、これらはそれぞれ１つのコンデンサＣ１もしくはＣ２もしくはＣ３に電気的に直列に接続されている。
他励可制御変換器２の変換器弁Ｔ１，…，Ｔ６のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ２８を制御するために制御装置３２が設けられている。この制御装置３２は、変換器弁Ｔ１，…，Ｔ６のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ２８を、それぞれ対応する逆並列接続されたダイオード３０が導通しているときに導通状態になるように制御する制御信号を発生する。すなわち、それぞれ自然転流時点（２つの相電圧の交点；線間系統電圧の振幅が零に等しい）で、制御信号が発生される。それゆえ、他励可制御変換器２の各ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ２８は、電気的に逆並列接続されたダイオード３０の導通時間の期間中に導通状態にされている。このように、他励可制御変換器２の変換器弁Ｔ１，…，Ｔ６のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ２８を系統周波数で制御することによって、他励可制御変換器２はどの時点でも電力再生能力を有する。制御装置３２の実施形態は、例えば独国特許出願公開第１９９１３６３４号明細書から得ることができる。
この他励可制御変換器およびフィルタ６は、一緒に、いわゆる基本周波数フロントエンド（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ（Ｆ3Ｅ））を形成している。負荷側の自励パルス変換器のほかに系統側の変換器としてＦ3Ｅ変換器を有するコンデンサなしの電圧中間回路コンバータは、冒頭に述べたように、学会「ＰＣＩＭ２００３」の論文集に詳細に記載されている。
昇圧チョッパ４の蓄積リアクトルＬSができるだけ小さい構造ボリュームを持ち、それによりそのリアクトルをインバータ、特にソーラーインバータ内に僅かのスペース要求で組み込むことができるようにするために、昇圧チョッパ４のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSは高周波でクロック制御される。高クロック周波数の変換を可能にするために、ＭＯＳＦＥＴまたはＪｕｎｃｔｉｏｎ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＪＦＥＴ）とも呼ばれる接合型電界効果トランジスタが設けられる。本発明に基づくインバータの図示された回路では、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSとして、ｎチャネルエンハンスメント形ＭＯＳＦＥＴが設けられている。高クロック周波数におけるスイッチング損失が僅かのままとどまるように、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSとして、シリコンカーバイドからなるＭＯＳＦＥＴおよびＪＦＥＴが使用される。更に、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチＴHSとしてＩＧＢＴが使用されてもよい。これが高クロック周波数で変換可能であるように、ＩＧＢＴがシリコンからなり、付属の逆並列接続されたダイオードがシリコンカーバイドからなる。この昇圧チョッパ４により、平滑コンデンサＣG1における直流電圧は整流された系統電圧の値に制御されるとよい。それによって、インバータ、特にソーラーインバータの直流電圧側端子２２，２４に直流電圧源２０として接続されている太陽光発電装置は、常に動作点ＭＰＰで動作させられる。
インバータ、特にソーラーインバータの本発明によるこの構成によって、一方ではこのインバータの寿命が著しく延長され、他方ではこのインバータを市販のインバータよりも著しく低コストにて製作することができる。更に、本発明によるこのインバータは著しく少ないスペースを要求する。
本発明によるインバータの実施例を示す回路図
符号の説明
２ 他励可制御変換器
４ 昇圧チョッパ
６ フィルタ
８ 直流側端子
１０ 直流側端子
１２ 交流側端子
１４ 交流側端子
１６ 交流側端子
１８ 系統
２０ 直流電圧源
２２ 直流側端子
２４ 直流側端子
２６ 接続点
２８ ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ
３０ ダイオード
３２ 制御装置
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
ＣG1 平滑コンデンサ
ＣG2 平滑コンデンサ
ＤHS 逆流防止ダイオード
ＬS 蓄積リアクトル
Ｒ，Ｓ，Ｔ 変換器相
Ｒ１〜Ｒ３ 減衰抵抗
Ｔ１〜Ｔ６ 変換器弁
ＴHS ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ
ＵDC 直流電圧

Claims (10)

  1. 昇圧チョッパ（４）と、他励可制御変換器（２）と、フィルタ（６）とを備え、フィルタ（６）が他励可制御変換器（２）の交流電圧側端子（１２，１４，１６）に接続され、昇圧チョッパ（４）の出力側が他励可制御変換器（２）の直流電圧側端子（８，１０）に接続され、他励可制御変換器（２）の各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）の変換器弁（Ｔ１，Ｔ２；Ｔ３，Ｔ４；Ｔ５，Ｔ６）として、それぞれ、逆並列接続されたダイオード（３０）を備えたターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（２８）が設けられ、これらのターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（２８）の制御側が制御装置（３２）に接続され、制御装置（３２）の入力に系統（１８）の求められた相電圧が印加されるインバータ。
  2. 昇圧チョッパ（４）は入力側にコンデンサ（ＣG2）を備えていることを特徴とする請求項１記載のインバータ。
  3. 昇圧チョッパ（４）が、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（ＴHS）と逆流防止ダイオード（ＤHS）と蓄積リアクトル（ＬS）と平滑コンデンサ（ＣG1）とを有し、ターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（ＴHS）および逆流防止ダイオード（ＤHS）が電気的に直列接続され、平滑コンデンサ（ＣG1）がこの直列回路に電気的に並列接続され、入力端子（２２）が蓄積リアクトル（ＬS）によりターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（ＴHS）と逆流防止ダイオード（ＤHS）との接続点（２６）に接続されていることを特徴とする請求項１及び２記載のインバータ。
  4. 昇圧チョッパ（４）のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（ＴHS）としてエンハンスメント形ＭＯＳ電界効果トランジスタが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のインバータ。
  5. 昇圧チョッパ（４）のターンオフ制御可能なパワー半導体スイッチ（ＴHS）として、シリコンカーバイドからなる逆並列接続されたダイオードを備えたシリコンからなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のインバータ。
  6. エンハンスメント形ＭＯＳ電界効果トランジスタがシリコンカーバイドからなることを特徴とする請求項４記載のインバータ。
  7. 交流電圧側のフィルタ（６）はスター結線された３つのコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のインバータ。
  8. 交流電圧側のフィルタ（６）はデルタ結線された３つのコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のインバータ。
  9. 交流電圧側のフィルタ（６）の各コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）に減衰抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項７又は８記載のインバータ。
  10. 平滑コンデンサ（ＣG1）としてフィルムコンデンサが設けられていることを特徴とする請求項３記載のインバータ。
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