JP2010119169A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明では交流回路のトランスを小形化し、小形軽量な電力変換装置を提供する。
【解決手段】この発明では、第１の変換器部を高周波のパルス幅変調出力を得る変換器部とする。そしてこの第一の変換器部の出力端子を絶縁トランスに接続し、その二次巻線に第二の変換器部を接続し、さらに三次巻線に第三の変換器部を接続した構成とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力変換装置に関する。

図１３に従来の電力変換装置を示す。直流電源１０１に変換器部１１７および変換器部１０３が並列に接続されている。変換器部１１７には絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（以下ＩＧＢＴと略称）が用いられている。

変換器部１１７は４個のＩＧＢＴ１４１、１４２、１４３，１４４によるフルブリッジ回路で構成されている。変換器部１０３も同様に４個のＩＧＢＴ１５１，１５２，１５３，１５４によるフルブリッジ回路で構成されている。

変換器部１１７の出力端子は、絶縁トランス１０６の一次巻線に接続され、この絶縁トランス１０６の二次側にはダイオード１７１，１７２，１７３，１７４で構成された全波整流回路１０７が接続されている。全波整流回路１０７の出力端子には、直流リアクトル１０８と直流コンデンサ１０９で構成される逆Ｌ形フィルタ回路が接続されており、負荷に直流電圧を供給することができる。

変換器部１０３の出力端子には、交流リアクトル１１０および交流コンデンサ１１１で構成された逆Ｌ形フィルタ回路が接続されている。交流コンデンサ１１１の端子には絶縁トランス１１２の一次巻線が接続されている。この絶縁トランス１１２の二次巻線の出力端子からは、負荷に供給する交流電圧が出力される。

変換器部１１７の出力電圧は矩形波交流であり、その交流電圧が絶縁トランス１０６で絶縁されるとともに電圧変換されて、さらに全波整流回路７により、直流電圧に変換される。

直流電源１０１が変動した場合には、変換器部１１７のＩＧＢＴ１４１〜１４４のオン時間を制御することにより、直流コンデンサ１０９の電圧を所定の電圧に制御している。

また、直流電源１０１が変動した場合、変換器部１０３のＩＧＢＴ１５１〜１５４のオン時間をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御により制御することにより、絶縁トランス１１２の二次電圧が一定となるように制御している。この絶縁トランス１１２の出力周波数は商用周波数の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚとなるように変換器部１０３の基本波周波数を選定するのが一般的である。

例えば変圧器の技術において小型化を図る技術がある（たとえば特許文献１）。しかしこれは低周波入力・低周波出力を得る変換器である。
特開２０００−２１７３５８号公報

上記したように変換器部１７のスイッチング周波数は高くすることにより、絶縁トランスＡ６、直流リアクトル８および直流コンデンサ９を小形化できる。

しかし、変換器部Ｂ３の基本波周波数は商用周波数の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに選定するため、絶縁トランスＢ１２を小形化することができなかった。

そこでこの発明では交流回路のトランスを小形化し、小形軽量な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、高周波のパルス幅変調出力を得る第一の変換器部の出力端子は絶縁トランスに接続し、その二次巻線に第二の変換器部が接続され、さらに三次巻線に第三の変換器部が接続される。

上記の手段によると、第１の変化器部にて、高周波のパルス幅変調出力を得る。このために一次側の変換器部と、二次側の２つの変換器部１４、変換器部１５用の絶縁トランスとしては、絶縁トランス１３の１つで済み、つまり絶縁トランスが共用され装置全体の小形軽量化を図ることができる。

以下図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。図１に第１の実施形態を示す。変換器部２の出力端子は、絶縁トランス１３の一次巻線に接続される。絶縁トランス１３の二次巻線には変換器部１４が接続され、絶縁トランス１３の三次巻線には変換器部１５が接続されている。

上記の構成であると、変換器部１４と変換器部１５用の絶縁トランスとしては、絶縁トランス１３の１つで済み、つまり絶縁トランスが共用され装置全体の小形軽量化を図ることができる。

図２に第２の実施形態を示す。直流電源１に変換器部２の入力端子が接続され、この変換器部２の出力端子は絶縁トランス１３の一次巻線に接続されている。絶縁トランス１３の二次巻線には変換器部１４Ａの入力端子が接続され、絶縁トランス１３の三次巻線には変換器部１５Ａの入力端子が接続されている。

変換器部２は直流を交流に変換し、変換器部１４Ａは交流を交流に変換し、変換器部１５Ａは交流を直流に変換する。

上記の構成であると、上記した図１の実施形態の効果、つまり変換器部１４Ａと変換器部１５Ａ用の絶縁トランスを共用することで装置の小形軽量化を図れるのに加えて、２種類の交流を出力する電力変換装置を提供することができる。

図３に第３の実施形態を示す。直流電源１に変換器部２が接続され、その出力端子は絶縁トランス１３の一次巻線に接続されている。この絶縁トランス１３の二次巻線には変換器部１４Ｂの入力端子が接続され、また三次巻線には変換器部１５Ｂの入力端子が接続されている。

変換器部２は直流を交流に変換し、変換器部１４Ｂは交流を交流に変換し、変換器部１５Ｂは交流を交流に変換する。

上記の構成であると、変換器部１４Ｂと変換器部１５Ｂ用の絶縁トランスが共用されることで装置の小形軽量化を図れるのに加えて、２種類の交流を出力する電力変換装置を提供することができる。

図４にはさらにこの発明の他の実施の形態を示している。直流電源１は変換器部２に接続されている。変換器部２は絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（以下ＩＧＢＴと略称）を用いたフルブリッジ回路で構成されている。即ち、ＩＧＢＴ４１，４２が直列接続され、ＩＧＢＴ４３，４４が直列接続される。そしてこの直列回路が並列接続され、ＩＧＢＴ４１、４３のコレクタが直流電源１のプラス端子に接続され、ＩＧＢＴ４２，４４のエミッタが直流電源１のマイナス端子に接続される。そしてＩＧＢＴ４１−４４の各ゲート電極には、ゲート回路６１−６４がそれぞれ接続され、各トランジスタのターンオン、ターンオフタイミングを制御することができる。

変換器部２の出力端子は絶縁トランス１３の一次巻線に接続されている。絶縁トランス１３の二次巻線には変換器部１４Ａの入力端子が接続されている。変換部１４Ａは、例えば４つの双方向スイッチ４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂを有する。双方向スイッチ４１Ｂは、２つのＩＧＢＴのエミッタ同士を接続し、エミッタ及びゲート電極にはゲート回路６１Ｂが接続されている。他の双方向スイッチ４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂも、双方向スイッチ４１Ｂと同様な構成であり、ゲート回路６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂによりそれぞれ制御される。

双方向スイッチ４１Ｂ，４２Ｂが直列接続され、双方向スイッチ４３Ｂ，４４Ｂが直列接続されている。この２つの直列回路は並列接続され、出力端子が導出されている。また、双方向スイッチ４１Ｂと４２Ｂの接続点と，双方向スイッチ４３Ｂと４４Ｂの接続点に、絶縁トランス１３の二次巻線の端子が接続されている。

双方向スイッチ４１Ｂと双方向スイッチ４２Ｂのそれぞれのコレクタが接続され、そこに絶縁トランス１３の二次巻線の一方の端子が接続され、双方向スイッチ４３Ｂと双方向スイッチ４４Ｂのそれぞれのコレクタが接続され、そこに絶縁トランス１３の二次巻線の他方の端子が接続されている。

双方向スイッチ４１Ｂの他方のコレクタは双方向スイッチ４３Ｂの他方のコレクタに接続され、それが変換器部１４Ａの一方端子として導出されている。また、双方向スイッチ４２Ｂの他方のコレクタは双方向スイッチ４４Ｂの他方のコレクタに接続され、それが変換器部１４Ａの他方の出力端子として導出されている。

絶縁トランス１３の三次巻線は、ダイオード７１〜７４が全波整流回路となるように接続された変換器部１５Ａの交流入力端子に接続されている。そして、直流に変換された電圧は変換器部１５Ａから出力されている。

ここで、変換器部２の出力波形を図５に示す。ただし、図５では簡略化のため、正弦波の６倍のキャリア周波数としている。正弦波５０１と三角波５０２のキャリア周波数を比較し、ＰＷＭ変調波５０３を生成している。スイッチ４１−４４は、それぞれ対応するゲート回路６１−６４によりオンオフ制御される。

スイッチ４１、４４がオン、スイッチ４３，４２がオフとなった状態１、逆にスイッチ４１、４４がオフ、スイッチ４３，４２がオンとなった状態２が繰り返されることで絶縁トランス１３の一次巻線にパルス波形５０５が現れる。

＜正弦波５０１がプラス側の場合＞
キャリア周波数矩形波５０４とＰＷＭ変調波５０３が共にハイ（Ｈ）レベルのとき、変換器部２からプラスの電圧を出力する。キャリア周波数矩形波５０４がロー（Ｌ）レベルの時には変換器部２からマイナス電圧を出力する。

＜正弦波がマイナス側の場合＞
キャリア矩形波がＨレベルの時、変換器部２からマイナス電圧を出力する。キャリア周波数矩形波５０４がＬレベルの時、変換器部２からはプラスの電圧を出力する。

このように変換器部２から電圧を出力すると、その出力波形５０５がＰＷＭ変調波形で、基本波周波数がキャリア周波数となる。

変換器部１４Ａの双方向スイッチ４１Ｂ〜４４Ｂのゲート信号を図６に示す。

双方向スイッチ４１Ｂと双方向スイッチ４４Ｂは同じタイミングでＯＮ、ＯＦＦし、双方向スイッチ４２Ｂと双方向スイッチ４３Ｂは同じタイミングでＯＮ、ＯＦＦする。

双方向スイッチ４１Ｂと双方向スイッチ４４Ｂは正弦波のプラス側の期間中に絶縁トランス１３のプラス側に電圧が発生する時にＯＮし、かつ、正弦波のマイナス側の期間中に絶縁トランス１３のマイナス側に電圧が発生する時にＯＮするようなゲート信号となる。

また、双方向スイッチ４２Ｂと双方向スイッチ４３Ｂは正弦波のプラス側の期間中に絶縁トランス１３のマイナス側に電圧が発生する時にＯＮし、かつ、正弦波のマイナス側の期間中に絶縁トランス１３のプラス側に電圧が発生する時にＯＮするようなゲート信号となる。この制御により所望の出力電圧を得ることができる。

変換器部１５Ａはダイオード７１〜７４による全波整流回路であり、その出力電圧波形を図７に示す。図５の正弦波の２倍の周波数が基本波となり、キャリア周波数が高次のリプル周波数となるパルス電圧波形となる。

変換器部２の出力を正弦波ＰＷＭではなく、図５に示すような高周波のＰＷＭ波形にすることで絶縁トランス１３を高周波トランスにできる。そのため、鉄芯を商用周波数の絶縁トランス（従来使用のもの）より小さくすることができ、装置の小形軽量化を図った直流および交流電圧を出力する電力変換装置を提供することができる。

図８にさらに他の実施形態を示す。絶縁トランス１３の一次側および二次側は、図４の実施形態と同様に構成されている。絶縁トランス１３の三次巻線には変換器部１４Ａと同じ回路構成の変換器部１５Ｂが接続されている。

この実施形態においても、変換器部２の出力を正弦波ＰＷＭではなく、図５に示すような高周波のＰＷＭ波形にすることで絶縁トランス１３を高周波トランスにできる。そのため、鉄芯を商用周波数の絶縁トランス（従来使用のもの）より小さくすることができる。そして、装置の小形軽量化を図った２種類の交流電圧を出力する電力変換装置を提供することができる。

図９にさらに他の実施形態を示す。この実施形態と図４に示した実施形態との相違点は以下の点である。変換器部１４Ａの出力に交流リアクトル１０Ａおよび交流コンデンサ１１Ａで構成された逆Ｌ形フィルタが接続されている。また、変換器部１５Ａの出力には直流リアクトル８および直流コンデンサ９で構成された逆Ｌ形フィルタが接続されている。

この実施形態においても、変換器部２の出力を正弦波ＰＷＭではなく、図５に示すような高周波のＰＷＭ波形にすることで絶縁トランス１３を高周波トランスにできる。そのため、鉄芯を商用周波数の絶縁トランス（従来使用のもの）より小さくすることができ、装置の小形軽量化を図った直流および交流電圧を出力する電力変換装置を提供することができる。さらに加えて、直流出力端子および交流出力端子にそれぞれフィルタ回路を接続することで、リプルの少ない直流電圧および歪の少ない交流電圧を負荷に供給することができる。

図１０にさらに他の実施形態を示す。この実施形態と図８に示した実施形態との相違点は以下の点である。変換器部１４Ａの出力に交流リアクトル１０Ａおよび交流コンデンサ１１Ａで構成された逆Ｌ形フィルタが接続されている。また変換器部１５Ｂの出力には交流リアクトル１０Ｂおよび交流コンデンサ１１Ｂで構成された逆Ｌ形フィルタが接続されている。

この実施形態においても、変換器部２の出力を正弦波ＰＷＭではなく、図５に示すような高周波のＰＷＭ波形にすることで絶縁トランス１３を高周波トランスにできる。

そのため、鉄芯を商用周波数の絶縁トランス（従来使用のもの）より小さくすることができ、装置の小形軽量化を図った２種類の交流電圧を出力する電力変換装置を提供することができる。また、２種類の交流出力端子にそれぞれフィルタ回路を接続することで、歪の少ない交流電圧を負荷に供給することができる。

図１１にさらに他の実施形態を示す。この実施形態において、第一の変換器部２は図４で示した回路構成と同一であり、フルブリッジ接続で構成された直流を交流に変換する変換器である。第一の変換器部２の出力端子は第一の絶縁トランス１６の一次巻線に接続される。この第一の絶縁トランス１６の二次側の二次巻線には図４に示した回路構成と同一の第二の変換器部１４Ａが接続されている。

変換器部２の出力波形は図５で説明した出力波形である。絶縁トランス１６により、この出力波形の電圧が絶縁され、変換器部１４Ａの出力電圧に適した電圧レベルに変換される。

さらにこの実施形態では、第一の変換器部２と同じ入力の直流電源１に第三の変換器部１７が接続されている。この第三の変換器部１７もフルブリッジで回路構成されており、直流を交流に変換する変換器である。この第三の変換器部１７の出力端子は第二の絶縁トランス６の一次巻線に接続されている。この第二の絶縁トランス６の二次側の二次巻線には、ダイオードで構成された全波整流回路の第四の変換器部７が接続されている。第三の変換器部１７はＩＧＢＴ４１Ａ〜４４Ａで構成され、その出力電圧は矩形波交流である。

上記した構成の実施形態においても変換器部２の出力を正弦波ＰＷＭではなく、図５に示すような高周波のＰＷＭ波形にすることで絶縁トランス１６を高周波トランスにできる。

そのため、鉄芯を商用周波数の絶縁トランス（従来使用のもの）より小さくすることができ、装置の小形軽量化を図った直流および交流電圧を出力する電力変換装置を提供することができる。

図１２はさらにこの発明の他の実施形態である。この実施形態は、図１１に示した実施形態に加えて、第二の変換器部１４Ａの出力端子に交流リアクトル１０Ａおよび交流コンデンサ１１Ａが逆Ｌ字形に接続され、第四の全波整流回路７の出力端子に直流リアクトル８および直流コンデンサ９が逆Ｌ字形に接続されている。

変換器部１４Ａの出力電圧はＰＷＭ変調波形であるので、交流リアクトル１０Ａおよび交流コンデンサ１１Ａによる交流フィルタ回路により、高次の高調波成分が除去されて歪の少ない正弦波交流になる。

また、全波整流回路７に出力はパルス電圧の直流電圧であるので、直流リアクトル８および直流コンデンサ９によるフィルタ回路により、高次の高調波成分が除去されてリプル電圧の少ない直流電圧になる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

この発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置の他の実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置のさらに他の実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置のさらにまた他の実施形態を示す図である。 図４に示した変換器部２の動作を中心に説明するために示した動作信号波形図である。 図４に示した絶縁トランス１３及び変換器部１４Ａの動作を中心に説明するために示した動作信号波形図である。 図４に示した変換器部１５Ａの出力を説明するために示した図である。 この発明に係る電力変換装置のまた他の実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置のさらに他の実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置のさらにまた他の実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置のまた他の実施形態を示す図である。 この発明に係る電力変換装置のさらに他の実施形態を示す図である。 従来の電力変換装置の構成を示す図である。

符号の説明

１・・・直流電源、２・・・変換器部、８・・・直流リアクトル、９・・・直流コンデンサ、１０Ａ、１０Ｂ・・・交流リアクトル、１１Ａ、１１Ｂ・・・交流コンデンサ、１３・・・絶縁トランス、１４、１４Ａ・・・変換器部、１５、１５Ａ，１５Ｂ・・・変換器部、１６・・・絶縁トランス、１７・・・変換器部、４１−４４、４１Ａ−４４Ｂ・・・ＩＧＢＴ、４１Ｂ−４４Ｂ・・・双方向スイッチ、６１−６４・・・ゲート回路、７１−７３・・・ダイオード。

Claims (9)

1. 高周波のパルス幅変調出力を得る第一の変換器部と、前記第一の変換器部の出力端子が一次巻線に接続される絶縁トランスと、前記絶縁トランスの二次巻線に接続された第二の変換器部と、前記絶縁トランスの三次巻線に接続された第三の変換器部とを有した電力変換装置。
2. 請求項１の電力変換装置において、
   前記第一の変換器部は直流を交流に変換する変換器であり、前記第二の変換器部は交流を交流に変換する変換器であり、前記第三の変換器部は交流を直流に変換する変換器である電力変換装置。
3. 請求項１の電力変換装置において、
   前記第一の変換器部は直流を交流に変換する変換器であり、前記第二の変換器部は交流を交流に変換する変換器であり、前記第三の変換器部は交流を交流に変換する変換器である電力変換装置。
4. 請求項２の電力変換装置において、
   前記第一の変換器部はフルブリッジで回路構成された直流を交流に変換する変換器であり、
   前記第二の変換器部はダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子２組を逆直列接続した双方向スイッチ４組で構成され、第一および第二の双方向スイッチの直列接続点が前記絶縁トランスの二次巻線の一方に接続され、第三および第四の双方向スイッチの直列接続点が前記二次巻線の他方に接続され、前記第一および第二の双方向スイッチの他方は前記第三および第四の双方向スイッチの他方にそれぞれ接続され、それらの接続点が出力される変換器であり、
   前記第三の変換器はダイオードで構成された全波整流回路である電力変換装置。
5. 請求項３の電力変換装置において、
   前記第一の変換器部はフルブリッジで構成された直流を交流に変換する変換器であり、
   前記第二の変換器部はダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子２組を逆直列接続した双方向スイッチ４組で構成され、第一および第二の双方向スイッチの直列接続点が前記絶縁トランスの二次巻線の一方に接続され、第三および第四の双方向スイッチの直列接続点が前記二次巻線の他方に接続され、第一および第二の双方向スイッチの他方は第三および第四の双方向スイッチの他方にそれぞれ接続され、それらの接続点が出力される変換器であり、前記第三の変換器は第二の変換器部と同一構成である電力変換装置。
6. 請求項４の電力変換装置において、
   前記第二の変換器部の出力には交流リアクトルと交流コンデンサが逆Ｌ字形に接続され、前記第三の変換器の出力は直流リアクトルと直流コンデンサが逆Ｌ字形に接続された電力変換装置。
7. 請求項５の電力変換装置において、
   前記第二の変換器部の出力には交流リアクトルと交流コンデンサが逆Ｌ字形に接続され、前記第三の変換器部の出力は交流リアクトルと交流コンデンサが逆Ｌ字形に接続された電力変換装置。
8. 第四の変換器部は請求項４の前記第一の変換器部と同一構成の変換器であり、前記第四の変換器部の出力端子は第一の絶縁トランスの一次巻線に接続され、前記第一の絶縁トランスの二次側の二次巻線には第五の変換器部が接続され、第五の変換器部は請求項４の前記第二の変換器部と同一構成の変換器であり、
   第四の変換器部と並列に第六の変換器部が接続され、この第六の変換器部はフルブリッジで構成された直流を交流に変換する変換器であり、その出力端子は第二の絶縁トランスの一次巻線に接続され、前記第二の絶縁トランスの二次側の二次巻線にはダイオードで構成された全波整流回路である第七の変換器部が接続された電力変換装置。
9. 請求項８の電力変換装置において、前記第五の変換器部の出力に交流リアクトルおよび交流コンデンサが逆Ｌ字形に接続され、前記第七の変換器部の出力に直流リアクトルおよび直流コンデンサが逆Ｌ字形に接続された電力変換装置。

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