JP2011200099A - インバータおよびそれを搭載した電力変換装置 - Google Patents

インバータおよびそれを搭載した電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータの電力変換効率を向上させる。
【解決手段】インバータ200は、それぞれ電圧が異なる複数の直流電源V1、V2からの直流電力を交流電力に変換する。インバータ200は制御部20を備える。制御部20は、第1の直流電源V1からの電源電圧E1、第2の直流電源V2からの電源電圧E2と、2つの電源電圧の電位差(E1−E2)を用いて擬似正弦波を発生させる。制御部20は、複数の直流電源V1、V2ごとに設けられるHブリッジ回路を制御することで、擬似正弦波を生成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ、およびそれを搭載した電力変換装置に関する。
近年、太陽光発電システムが急速に普及している。太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールで発電された電力を、効率よく利用するためのパワーコンディショナを設置する必要がある。パワーコンディショナには、直流電力を交流電力に変換するためのインバータが搭載される。太陽光発電システムでより多くの電力を得るには、太陽電池セルでのエネルギー変換効率の向上と、パワーコンディショナでの電力変換効率の向上が重要である。後者を実現するには、電力損失の少ないインバータが求められる。
近年、従来のPWM型インバータと比較して、スイッチング損失を低減することができる階調制御型インバータが開発され、実用化されてきている(たとえば、特許文献1参照)。この階調制御型インバータは、2進数や3進数の電圧関係を持つ複数のインバータによって構成され、各インバータの出力電圧を組み合わせることにより擬似正弦波を生成するものである。
特開2004−7941号公報
このような状況下、本発明者は、上述した階調制御型インバータより、さらにスイッチング損失を低減することができるインバータを見い出した。本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、インバータの電力変換効率を向上させる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様のインバータは、それぞれ電圧が異なる複数の直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータであって、擬似正弦波を発生させる制御部を備える。制御部は、それぞれの直流電源からの電源電圧と、2つの電源電圧の電位差を用いて、擬似正弦波を発生させる。
本発明によれば、インバータの電力変換効率を向上させることができる。
本発明の実施の形態1に係るインバータの回路構成を示す図である。 第1&2のHブリッジ回路により負荷に順方向電圧が供給される状態を示す図である。 第1&2のHブリッジ回路により負荷に逆方向電圧が供給される状態を示す図である。 実施の形態1に係るインバータにより生成される擬似正弦波を示す図である。 実施の形態1に係るインバータにより七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。 本発明の実施の形態1と比較すべき、比較例に係るインバータの回路構成を示す図である。 第5の直流電源V5から負荷に順方向電圧が供給される状態を示す図である。 直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6から負荷に順方向電圧が供給される状態を示す図である。 比較例に係るインバータにより生成される擬似正弦波を示す図である。 比較例に係るインバータにより七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。 (a)は電源電圧E1と電源電圧E2の値が近いときの階段波形を示す図であり、(b)は電源電圧E1と電源電圧E2の値が離れているときの階段波形を示す図である。 (a)は電源電圧E1と電源電圧E2の比率を10:9にしたときの階段波形を示す図であり、(b)は電源電圧E1と電源電圧E2の比率を10:6にしたときの階段波形を示す図である。 最適比率の探索方法を説明するための図である。 補正した階段波形を示す図である。 (a)は最適比率に設定した電源電圧E1と電源電圧E2とを用いて生成した擬似正弦波を示す図であり、(b)は第2の直流電源V2から負荷に供給される電圧を示す図であり、(c)は第1の直流電源V1から負荷に供給される電圧を示す図である。 実施の形態1のインバータの実装回路を示す図である。 図16に示すインバータにより四種類の階調レベルを生成する際のスイッチのオンオフ状態を示す図である。 本発明の実施の形態2に係るインバータの回路構成を示す図である。 第1の直流電源V1の電圧E1、第2の直流電源V2の電圧E2、第3の直流電源V3の電圧E3、第1の直流電源V1の電圧E1と第2の直流電源V2の電圧E2との第1電位差(E1−E2)、第1の直流電源V1の電圧E1と第3の直流電源V3の電圧E3との第2電位差(E1−E3)、および第2の直流電源V2の電圧E2と第3の直流電源V3の電圧E3との第3電位差(E2−E3)の関係を示す図である。 実施の形態2に係るインバータにより生成される擬似正弦波を示す図である。 実施の形態2に係るインバータにより十三種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。 (a)は最適比率に設定した電源電圧E1と電源電圧E2と電源電圧E3を用いて生成した擬似正弦波を示す図であり、(b)は第3の直流電源V3から負荷に供給される電圧を示す図であり、(c)は第2の直流電源V2から負荷に供給される電圧を示す図であり、(d)は第1の直流電源V1から負荷に供給される電圧を示す図である。 実施の形態2のインバータの実装回路を示す図である。 図23に示すインバータにより七種類の階調レベルを生成する際のスイッチのオンオフ状態を示す図である。 図23に示すインバータの出力波形の測定結果を示す図である。 実施の形態に係るインバータを搭載したパワーコンディショナを含む太陽光発電システムのシステム構成図である。 図23に示した実施の形態2のインバータの実装回路を用いて、擬似正弦波(PWM信号の使用なし)を生成した場合のシミュレーション結果を示す図である。(a)は時間軸データを示し、(b)は周波数軸データを示している。 図23に示した実施の形態2のインバータの実装回路を用いて、擬似正弦波(PWM信号の使用あり)を生成した場合のシミュレーション結果を示す図である。(a)は時間軸データを示し、(b)は周波数軸データを示している。 図23に示した実施の形態2のインバータの実装回路を用いて、擬似正弦波(PWM信号の使用あり)を生成する場合に必要なPWM波形データを説明するための図である。 図23に示すインバータにより七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図に、印加電圧のレベルを追加した図である。 図30に示すスイッチングパターンを用いて、PWM信号を生成した結果を示す図である。 実施の形態2のインバータへの電圧供給に適した電源システムを説明するための図である。 インバータにより生成された擬似正弦波を示す図である。 第3電源装置の基本回路構成を示す図である。 第3電源装置の具体的な回路構成例を示す図である。 図34に示した第3電源装置の回路構成と比較すべき回路構成を示す図である。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るインバータ200の回路構成を示す図である。なお、図1には説明の便宜上、直流電源部100および負荷300も描いているが、直流電源部100および負荷300は、インバータ200の構成要素には含まれない。インバータ200は、直流電源部100に含まれる複数の直流電源からの直流電力を交流電力に変換する。直流電源部100は、それぞれ電源電圧の異なる第1の直流電源V1と第2の直流電源V2とを含む。インバータ200は、複数のHブリッジ回路および制御部20を備える。制御部20は、それぞれの直流電源からの電源電圧と、2つの電源電圧の差分電圧(以下、「電位差」ともよぶ)を用いて、擬似正弦波を発生させる。
複数のHブリッジ回路は、それぞれ電圧が異なる複数の直流電源ごとに設けられ、当該複数の直流電源のそれぞれから負荷300に順方向電圧および逆方向電圧を供給するための回路である。制御部20は、複数のHブリッジ回路を制御することにより擬似正弦波を発生させる。
以下、より具体的に説明する。実施の形態1では、二種類の直流電源(第1の直流電源V1、第2の直流電源V2)が設けられるため、実施の形態1に係るインバータ200には、二つのHブリッジ回路が設けられる。また、実施の形態1では、第1の直流電源V1の電源電圧E1>第2の直流電源V2の電源電圧E2の関係に設計されているとする。
第1のHブリッジ回路は、第1の直流電源V1から負荷300に順方向電圧および逆方向電圧を供給するための回路であり、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4を備える。第1−1スイッチS11および第1−2スイッチS12は、第1の直流電源V1の高電位側と負荷300との間に並列に設けられる。第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4は、第1の直流電源V1の低電位側と負荷300との間に並列に設けられる。
より具体的には、第1−1スイッチS11は、第1の直流電源V1の高電位側端子と負荷300の高電位側端子とを結ぶ経路に挿入され、第1−2スイッチS12は、第1の直流電源V1の高電位側端子と負荷300の低電位側端子とを結ぶ経路に挿入される。第1共通スイッチS3は、第1の直流電源V1の低電位側端子と負荷300の高電位側端子とを結ぶ経路に挿入され、第2共通スイッチS4は、第1の直流電源V1の低電位側端子と負荷300の低電位側端子とを結ぶ経路に挿入される。
第1のHブリッジ回路は、第1の直流電源V1から負荷300に順方向電圧を印加する場合、制御部20により第1−1スイッチS11および第2共通スイッチS4がオンに、第1−2スイッチS12および第1共通スイッチS3がオフに制御される。一方、第1の直流電源V1から負荷300に逆方向電圧を印加する場合、第1−1スイッチS11および第2共通スイッチS4がオフに、第1−2スイッチS12および第1共通スイッチS3がオンに制御される。
第2のHブリッジ回路は、第2の直流電源V2から負荷300に順方向電圧および逆方向電圧を供給するための回路であり、第2−1スイッチS21、第2−2スイッチS22、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4を備える。第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22は、第2の直流電源V2の高電位側と負荷300との間に並列に設けられる。第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4は、第2の直流電源V2の低電位側と負荷300との間に並列に設けられる。
このように、実施の形態1では第1のHブリッジ回路を構成する第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4と、第2のHブリッジ回路を構成する第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4とが共通化されている。すなわち、第1のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路と、第2のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路とが共通化されている。
実施の形態1では第1の直流電源V1の低電位側電圧および第2の直流電源V2の低電位側電圧を所定の固定電圧(たとえば、グラウンド電圧)で共通にすることにより、両者の低電位側の配線を共通化することができる。これにより、インバータ200に含まれるスイッチの数を減らすことができる。
第2のHブリッジ回路に含まれる第2−1スイッチS21、第2−2スイッチS22、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4の詳細な接続関係およびオンオフ動作は、第1のHブリッジ回路に含まれる第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4と同様であるため、その説明を省略する。
第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第2−1スイッチS21、第2−2スイッチS22、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4には、それぞれパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を採用することができる。
実施の形態1では、制御部20は、第1のHブリッジ回路および第2のHブリッジ回路を制御することにより擬似正弦波を発生させる。より具体的には、第1のHブリッジ回路および第2のHブリッジ回路を制御することにより、負荷300に供給される電圧を時分割に切り換える。この電圧の数(本明細書では、階調数ともいう)が多いほど、滑らかな正弦波を生成することができる。
二つの直流電源および二つのHブリッジ回路を用いるインバータ200では、正負合わせて四種類の電圧(E1,E2,−E2,−E1)を生成することができる。負荷300に電圧を供給しない状態のゼロ電圧を加えると、五種類の電圧を生成することができる。実施の形態1では、直流電源およびHブリッジ回路を増やさずに、さらに別の二種類の電圧を生成する。したがって、合計七種類の電圧を生成する。
以下、別の二種類の電圧の生成方法について説明する。制御部20は、第1のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路を無効にし、かつ第2のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路を無効にする。すなわち、制御部20は、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4をオフに制御する。また、第1のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路と第2のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路を有効にする。以上により、別のHブリッジ回路(以下、第1&2のHブリッジ回路と表記する)を形成する。すなわち、第1&2のHブリッジ回路は、第1のHブリッジ回路の高電位側の半分と、第2のHブリッジ回路の高電位側の半分とを組み合わせた回路である。
当該第1&2のHブリッジ回路は、第1の直流電源V1と第2の直流電源V2との電位差を、負荷300に対して順方向および逆方向に供給する回路であり、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22を含む。
図2は、第1&2のHブリッジ回路により負荷300に順方向電圧が供給される状態を示す。図3は、第1&2のHブリッジ回路により負荷300に逆方向電圧が供給される状態を示す。図2、3にて、太線で描かれている経路は、電流が流れる経路である。
図2にて、制御部20は、第1−1スイッチS11および第2−2スイッチS22をオンに、第1−2スイッチS12、第2−1スイッチS21、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4をオフに制御することにより、第1の直流電源V1と第2の直流電源V2との電位差(E1−E2)を、負荷300に対して順方向に供給することができる。
図3にて、制御部20は、第1−2スイッチS12および第2−1スイッチS21をオンに、第1−1スイッチS11、第2−2スイッチS22、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4をオフに制御することにより、第1の直流電源V1と第2の直流電源V2との電位差(E1−E2)を、負荷300に対して逆方向に供給することができる。
以上のように制御部20は、第1の直流電源V1からの電源電圧E1と、第2の直流電源V2からの電源電圧E2と、電源電圧E1と電源電圧E2の電位差(E1−E2)とを用いて、七種類の電圧を生成し、擬似正弦波を発生させる。
図4は、実施の形態1に係るインバータ200により生成される擬似正弦波を示す図である。上述したように、実施の形態1では七種類の電圧を生成することができる。制御部20は、ゼロ電圧、上記電位差(E1−E2)(正)、第2の直流電源V2の電圧E2(正)、第1の直流電源V1の電圧E1(正)、第2の直流電源V2の電圧E2(正)、上記電位差(E1−E2)(正)、ゼロ電圧、上記電位差(E1−E2)(負)、第2の直流電源V2の電圧E2(負)、第1の直流電源V1の電圧E1(負)、第2の直流電源V2の電圧E2(負)、上記電位差(E1−E2)(負)、ゼロ電圧の順番に、負荷300に供給する電圧を切り換えることにより、擬似正弦波を生成する。
このように制御部20は、交流出力の位相0からπ/2までの間、すなわち1/4周期において、出力電圧を、ゼロ電圧、電位差(E1−E2)、電圧E2、電圧E1の順に変化させる。続いて制御部20は、交流出力の位相π/2からπまでの間、出力電圧を、電圧E1、電圧E2、電位差(E1−E2)、ゼロ電圧の順に変化させる。続いて制御部20は、交流出力の位相πから(3/2)πまでの間、出力電圧を、ゼロ電圧、電位差(E2−E1)、電圧(−E2)、電圧(−E1)の順に変化させる。続いて制御部20は、交流出力の位相(3/2)πから2πまでの間、出力電圧を、電圧(−E1)、電圧(−E2)、電圧(E2−E1)、ゼロ電圧の順に変化させる。このようにして制御部20は、擬似正弦波を発生させる。
たとえば、第1の直流電源V1の電圧E1と、第2の直流電源V2の電圧E2との比を、3:2に設定すれば、第1の直流電源V1の電圧E1と、第2の直流電源V2の電圧E2と、上記電位差(E1−E2)との比を、3:2:1に設定することができる。このように、各階調レベル間の差を、一致または小さくすることにより、より滑らかな擬似正弦波を生成することができる。
図5は、実施の形態1に係るインバータ200により七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。階調レベル0は上記ゼロ電圧、階調レベル1は上記電位差(E1−E2)(正)、階調レベル2は第2の直流電源V2の電圧E2(正)、階調レベル3は第1の直流電源V1の電圧E1(正)、階調レベル−1は上記電位差(E1−E2)(負)、階調レベル−2は第2の直流電源V2の電圧E2(負)、および階調レベル−3は第1の直流電源V1の電圧E1(負)に、それぞれ対応する。制御部20は、図5に示すように、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3、第2共通スイッチS4、第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22をオンオフ制御する。
図1に戻り、実施の形態1では第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22は、双方向に電流が流れる。したがって、第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22には、双方向スイッチング素子を採用する必要がある。たとえば、双方向に対応したパワーMOSFETまたはIGBTを用いる。または、単方向のパワーMOSFETまたはIGBTを、直列または並列に二つ並べて一つの双方向スイッチング素子を構成してもよい。
第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4は、一方向にしか電流が流れない。したがって、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4には、一般的な単方向スイッチング素子を採用することができる。
双方向に電流が流れるスイッチは、第1&2のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路にそれぞれ挿入されるスイッチ(すなわち、第2のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路にそれぞれ挿入されるスイッチ)が該当する。すなわち、第1の直流電源V1および第2の直流電源V2のうち電圧が低い第2の直流電源V2と、負荷300とを結ぶ二本の経路にそれぞれ挿入される第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22は、第2のHブリッジ回路を形成するときと、第1&2のHブリッジ回路を形成するときとで、電流の向きが変わる。
(比較例)
図6は、本発明の実施の形態1と比較すべき、比較例に係るインバータ250の回路構成を示す図である。図6には説明の便宜上、直流電源部100および負荷300も描いているが、直流電源部100および負荷300は、インバータ250の構成要素には含まれない。
インバータ250は、複数のスイッチおよび制御部25を備える。第5の直流電源V5と負荷300との間に、第5−1スイッチS51、第5−2スイッチS52、第5−3スイッチS53および第5−4スイッチS54を備える。第6の直流電源V6と負荷300との間に、第6−1スイッチS61、第6−2スイッチS62、第6−3スイッチS63および第6−4スイッチS64を備える。なお、比較例では、第5の直流電源V5の電圧E5<第6の直流電源V6の電圧E6の関係に設計されているとする。
第5−1スイッチS51と第5−3スイッチS53とは第1の直列回路を形成し、当該第1の直列回路の両端子はそれぞれ、第5の直流電源V5の両端子に接続される。第5−2スイッチS52と第5−4スイッチS54とは第2の直列回路を形成し、当該第2の直列回路の両端子は、第5の直流電源V5の両端子に、第1の直列回路と並列に接続される。
第6−1スイッチS61と第6−3スイッチS63とは第3の直列回路を形成し、当該第3の直列回路の両端子はそれぞれ、第6の直流電源V6の両端子に接続される。第6−2スイッチS62と第6−4スイッチS64とは第4の直列回路を形成し、当該第4の直列回路の両端子は、第6の直流電源V6の両端子に、第3の直列回路と並列に接続される。
第1の直列回路の中点と第3直列回路の中点とが接続され、第2の直列回路の中点と負荷300の高電位側端子とが接続され、第4の直列回路の中点と負荷300の低電位側端子とが接続される。
比較例では、制御部25は、第5−1スイッチS51、第5−2スイッチS52、第5−3スイッチS53、第5−4スイッチS54、第6−1スイッチS61、第6−2スイッチS62、第6−3スイッチS63および第6−4スイッチS64を制御することにより擬似正弦波を発生させる。
インバータ250は、二つの直流電源から、正負合わせて四種類の電圧を生成することができる。負荷300に電圧を供給しない状態のゼロ電圧を加えると、五種類の電圧を生成することができる。比較例では、第5の直流電源V5と第6の直流電源V6とが直列接続された状態を作り出すことにより、さらに別の二種類の電圧を生成する。したがって、合計七種類の電圧を生成する。
図7は、第5の直流電源V5から負荷300に順方向電圧が供給される状態を示す。図8は、直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6から負荷300に順方向電圧が供給される状態を示す。図7、8にて、太線で描かれている経路は、電流が流れる経路である。
図7にて、制御部25は、第5−2スイッチS52、第5−3スイッチS53、第6−1スイッチS61および第6−2スイッチS62をオンに、第5−1スイッチS51、第5−4スイッチS54、第6−3スイッチS63および第6−4スイッチS64をオフに制御することにより、第5の直流電源V5から負荷300に順方向電圧を供給することができる。
図8にて、制御部25は、第5−2スイッチS52、第5−3スイッチS53、第6−1スイッチS61および第6−4スイッチS64オンに、第5−1スイッチS51、第5−4スイッチS54、第6−2スイッチS62および第6−3スイッチS63をオフに制御することにより、直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6から負荷300に順方向電圧を供給することができる。
図9は、比較例に係るインバータ250により生成される擬似正弦波を示す図である。上述したように、比較例でも七種類の電圧を生成することができる。制御部25は、ゼロ電圧、第5の直流電源V5の電圧E5(正)、第6の直流電源V6の電圧E6(正)、直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6の合成電圧(正)、第6の直流電源V6の電圧E6(正)、第5の直流電源V5の電圧E5(正)、ゼロ電圧、第5の直流電源V5の電圧E5(負)、第6の直流電源V6の電圧E6(負)、直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6の合成電圧(負)、第6の直流電源V6の電圧E6(負)、第5の直流電源V5の電圧E5(負)の順番に、負荷300に供給する電圧を切り換えることにより、擬似正弦波を生成する。
図10は、比較例に係るインバータ250により七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。階調レベル0は上記ゼロ電圧、階調レベル1は第5の直流電源V5の電圧E5(正)、階調レベル2は第6の直流電源V6の電圧E6(正)、階調レベル3は直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6の合成電圧(正)、階調レベル−1は第5の直流電源V5の電圧E5(負)、階調レベル−2は第6の直流電源V6の電圧E6(負)、および階調レベル−3は直列接続された第5の直流電源V5および第6の直流電源V6の合成電圧(負)に、それぞれ対応する。制御部25は、図10に示すように、第5−1スイッチS51、第5−2スイッチS52、第5−3スイッチS53、第5−4スイッチS54、第6−1スイッチS61、第6−2スイッチS62、第6−3スイッチS63および第6−4スイッチS64をオンオフ制御する。
以下、図1に示した実施の形態1に係るインバータ200と、図6に示した比較例に係るインバータ250とを比較する。スイッチの数は、前者では六つであり、後者では八つである。また、各閉ループにおいて電流が通過するスイッチの数は、前者では常に二つであり、後者では常に四つである。また、二つの直流電源は、前者では低電位側が共通であり、後者では二つの直流電源が独立している。また、二つの直流電源により生成される階調レベル1の電圧は、前者が第1の直流電源V1と第2の直流電源V2との電位差であり、後者では、第5の直流電源V5である。
以下、これを踏まえて本発明の実施の形態1の効果を説明する。実施の形態1によれば、インバータの電力変換効率を向上させることができる。すなわち、階調制御により擬似正弦波を生成するため、従来のPWM方式と比較し、スイッチング回数を減らすことができ、スイッチング損失を低減することができる。また、大規模な出力フィルタを必要とせずに滑らかな交流出力波形を得ることができる。
また、実施の形態1によれば、比較例と比較し、各閉ループにおいて電流が通過するスイッチの数を減らすことができる。したがって、さらに電力損失を低減することができる。また、比較例と比較し、スイッチの数を減らすことができ、回路規模の縮小化および低コスト化を図ることができる。
また、比較例では、二つの直流電源を直列接続する回路形態を使用するため、二つの直流電源の低電位側(たとえば、グラウンド)を共通化することができない。たとえば、一次巻線を一つ、二次巻線を複数備えるトランスを用いて、複数の直流電源を独立化させる。これに対し、実施の形態1では二つの直流電源の低電位側(たとえば、グラウンド)を共通化することができる。したがって、回路構成を単純化することができ、回路規模も低減することができる。もちろん、上記トランスを設ける必要もない。
上記の例では、各階調レベル間の差を一致または小さくすることで滑らかな擬似正弦波を生成するという方針のもとで、第1の直流電源V1の電源電圧E1と、第2の直流電源V2の電源電圧E2との比を、3:2に設定した。実施の形態1では、正の領域で3種類の電圧(E1−E2,E2,E1)を生成できる。本発明者は、より滑らかな擬似正弦波を生成するべく、電源電圧E1と電源電圧E2の比率について考察した。上記したとおり、E1>E2である。
図11は、電源電圧E1と電源電圧E2の設定比率に応じて形成される階調レベルを示す。図11(a)は、電源電圧E1と電源電圧E2の値が近いときの階段波形を示し、図11(b)は、電源電圧E1と電源電圧E2の値が離れているときの階段波形を示す。図11(a)に示されるように、電源電圧E1と電源電圧E2とが近すぎると、位相0からπ/4の間において、正弦波からのズレ量が大きくなる。一方、図11(b)に示されるように、電源電圧E1と電源電圧E2とが離れすぎると、位相π/4からπ/2の間において、正弦波からのズレ量が大きくなる。以上の理由から、差分電圧(E1−E2)を効果的に利用するためには、電源電圧E1と電源電圧E2との比率を最適化することが好ましい。
図12(a)は、電源電圧E1と電源電圧E2の比率を10:9にしたときの階段波形を示し、図12(b)は、電源電圧E1と電源電圧E2の比率を10:6にしたときの階段波形を示す。位相0からπ/2の間でみると、図12(a)に示される階段波形は、位相0からπ/4の間で正弦波からのズレ量が大きく、一方、図12(b)に示される階段波形は、位相π/4からπ/2の間で正弦波からのズレ量が大きくなる。以下、正弦波からのズレ量を小さくするべく、最適な電源電圧間の比率を導出する。
図13は、最適比率の探索方法を説明するための図である。ここでは正弦波の位相0からπ/2までの1/4周期で最適解を探索する。実施の形態1では、正の領域で3種類の電圧(E1−E2,E2,E1)を生成するため、この探索方法では、sin(x)上に3点をプロットし、正弦波とx軸(y=0)とx=π/2で囲まれる面積S1と、プロットした3点による階段波形とx軸(y=0)とx=π/2で囲まれる面積S2とが最も近くなる3点の組み合わせを探索する。なお、図示されるように、階段波形は正弦波の内側にあるため、必ず面積S1>面積S2となる。そこで、3点の組み合わせを探索した後、各点を適宜補正して、面積S2を面積S1に近づける処理も行う。
まず、0≦y≦1の範囲で、2つの値Y1、Y2を選ぶ。次に、選んだY1、Y2、|Y1−Y2|を大きさの順に並べ、対応するxの値を求める。
階段波形の下の面積S2を求める。
次に、面積S1と面積S2の差を求める。なお、面積S1は、1である。
すなわち、最適解の探索は、式3のE(Y1,Y2)を極小にする(Y1,Y2)を求める問題に帰着する。この問題を解くと、
(x,y)=(0.289,0.285)
(x,y)=(0.625,0.585)
(x,y)=(1.055,0.870)
となる。
図13の階段波形は正弦波の内側にあるため、面積S2を面積1に近づけるべく、以下の式4により、x,x,xを補正する。
式4により、
(x,y)=(0.145,0.285)
(x,y)=(0.457,0.585)
(x,y)=(0.840,0.870)
となる。これにより、階段波形が左にずらされる。
図14は、補正した階段波形を示す。階段波形の下の面積S2は、0.948となり、正弦波の面積S1(=1)に非常に近似した値をとる。以上の探索により、
電源電圧E1:電源電圧E2=0.870:0.585
の最適比率が導き出せる。つまり、E1:E2=1.49:1である。
そこで、電源電圧E1と電源電圧E2の比率を、導出した最適比率に設定することで、本実施の形態のインバータ200が、より滑らかな擬似正弦波を生成できる。
図15(a)は、最適比率に設定した電源電圧E1と電源電圧E2とを用いて生成した擬似正弦波を示す。図15(b)は、第2の直流電源V2から負荷300に供給される電圧を示し、図15(c)は、第1の直流電源V1から負荷300に供給される電圧を示す。制御部20が、式4から導出されたタイミングx,x,xで、第1のHブリッジ回路および第2のHブリッジ回路を制御して、負荷300に供給する電圧を切り換えることで、図15(a)に示す滑らかな擬似正弦波を生成することが可能となる。
図16は、実施の形態1のインバータ200の実装回路を示す。第1の直流電源V1の電源電圧E1を74.5V、第2の直流電源V2の電源電圧E2を50Vに設定して、両者の最適比率を実現する。図1と比較すると、図16において、第1−1スイッチS11はスイッチSW0、第1−2スイッチS12はスイッチSW2、第1共通スイッチS3はスイッチSW1、第2共通スイッチS4はスイッチSW3、第2−1スイッチS21はスイッチSW4、SW5、第2−2スイッチS22はスイッチSW6、SW7に、それぞれ対応する。なお、図1においては、左から右方向を順方向としていたが、説明の便宜上、図16においては、右から左を順方向としている。
図17は、図16に示すインバータ200により四種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。階調レベル0はゼロ電圧、階調レベル1は電位差(E1−E2)(正)、階調レベル2は第2の直流電源V2の電圧E2(正)、階調レベル3は第1の直流電源V1の電圧E1(正)に、それぞれ対応する。制御部20は、図17に示すように、スイッチSW0〜SW7をオンオフ制御する。
なお、各スイッチSW(パワーMOSFET)には、ソースドレイン間に寄生ダイオードが存在している。図17においては、階調レベル1を生成する際のスイッチSW7、階調レベル2を生成する際のスイッチSW4がオフされているが、これは寄生ダイオードを経由して電流が流れるためである。なお、これらのスイッチSWをオンしてもよいが、スイッチングロスを減らすためには、オフして電流が寄生ダイオードを流れるようにすることが好ましい。
(実施の形態2)
図18は、本発明の実施の形態2に係るインバータ200の回路構成を示す図である。インバータ200は、直流電源部100に含まれる複数の直流電源からの直流電力を交流電力に変換する。直流電源部100は、それぞれ電源電圧の異なる第1の直流電源V1、第2の直流電源V2および第3の直流電源V3とを含む。インバータ200は、複数のHブリッジ回路および制御部20を備える。制御部20は、それぞれの直流電源からの電源電圧と、2つの電源電圧の電位差を用いて、擬似正弦波を発生させる。実施の形態2に係るインバータ200には、三つのHブリッジ回路が設けられる。また、実施の形態2では、第1の直流電源V1の電源電圧E1>第2の直流電源V2の電源電圧E2>第3の直流電源V3の電源電圧E3の関係に設計されているとする。
第1のHブリッジ回路および第2のHブリッジ回路の構成は、実施の形態1と同様である。第3のHブリッジ回路は、第3の直流電源V3から負荷300に順方向電圧および逆方向電圧を供給するための回路であり、第3−1スイッチS31、第3−2スイッチS32、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4を備える。第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32は、第3の直流電源V3の高電位側と負荷300との間に並列に設けられる。第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4は、第3の直流電源V3の低電位側と負荷300との間に並列に設けられる。
第3のHブリッジ回路に含まれる第3−1スイッチS31、第3−2スイッチS32、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4の詳細な接続関係およびオンオフ動作は、第1のHブリッジ回路に含まれる第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3および第2共通スイッチS4と同様であるため、その説明を省略する。
第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32も、それぞれパワーMOSFETまたはIGBTを採用することができる。また、第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32も、双方向に電流が流れる。したがって、第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32にも、双方向スイッチング素子を採用する。
実施の形態2では、制御部20は、第1のHブリッジ回路、第2のHブリッジ回路および第3のHブリッジ回路を制御することにより擬似正弦波を発生させる。より具体的には、第1のHブリッジ回路、第2のHブリッジ回路および第3のHブリッジ回路を制御することにより、負荷300に供給される電圧を時分割に切り換える。この電圧の数が多いほど、滑らかな正弦波を生成することができる。
三つの直流電源および三つのHブリッジ回路を用いるインバータ200では、正負合わせて六種類の電圧(E1,E2,E3,−E3,−E2,−E1)を生成することができる。負荷300に電圧を供給しない状態のゼロ電圧を加えると、七種類の電圧を生成することができる。実施の形態2では、直流電源およびHブリッジ回路を増やさずに、さらに別の六種類の電圧を生成する。したがって、合計十三種類の電圧を生成する。
以下、別の六種類の電圧の生成方法について説明する。制御部20は、第1のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路および第2のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路を有効とし、ならびに第1のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路、第2のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路および第3のHブリッジ回路のすべての経路を無効とすることにより、第1&2のHブリッジ回路を形成する。すなわち、第1&2のHブリッジ回路は、第1のHブリッジ回路の高電位側の半分と、第2のHブリッジ回路の高電位側の半分とを組み合わせた回路である。
当該第1&2のHブリッジ回路は、第1の直流電源V1と第2の直流電源V2との電位差を、負荷300に対して順方向および逆方向に供給する回路であり、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第2−1スイッチS21および第2−2スイッチS22を含む。
また、制御部20は、第1のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路および第3のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路を有効とし、ならびに第1のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路、第3のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路および第2のHブリッジ回路のすべての経路を無効とすることにより、第1&3のHブリッジ回路を形成する。すなわち、第1&3のHブリッジ回路は、第1のHブリッジ回路の高電位側の半分と、第3のHブリッジ回路の高電位側の半分とを組み合わせた回路である。
当該第1&3のHブリッジ回路は、第1の直流電源V1と第3の直流電源V3との電位差を、負荷300に対して順方向および逆方向に供給する回路であり、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32を含む。
また、制御部20は、第2のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路および第3のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路を有効とし、ならびに第2のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路、第3のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路および第1のHブリッジ回路のすべての経路を無効とすることにより、第2&3のHブリッジ回路を形成する。すなわち、第2&3のHブリッジ回路は、第2のHブリッジ回路の高電位側の半分と、第3のHブリッジ回路の高電位側の半分とを組み合わせた回路である。
当該第2&3のHブリッジ回路は、第2の直流電源V2と第3の直流電源V3との電位差を、負荷300に対して順方向および逆方向に供給する回路であり、第2−1スイッチS21、第2−2スイッチS22、第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32を含む。
図19は、第1の直流電源V1の電圧E1、第2の直流電源V2の電圧E2、第3の直流電源V3の電圧E3、第1の直流電源V1の電圧E1と第2の直流電源V2の電圧E2との第1電位差(E1−E2)、第1の直流電源V1の電圧E1と第3の直流電源V3の電圧E3との第2電位差(E1−E3)、および第2の直流電源V2の電圧E2と第3の直流電源V3の電圧E3との第3電位差(E2−E3)の関係を示す図である。
図19では、第1の直流電源V1の電圧E1と、第2の直流電源V2の電圧E2と、第3の直流電源V3の電圧E3との比を、7:5:4に設定する例を描いている。その場合、第1電位差(E1−E2)と、第2電位差(E1−E3)と、第3電位差(E2−E3)との比は、2:3:1となる。全体では、第1の直流電源V1の電圧E1と、第2の直流電源V2の電圧E2と、第3の直流電源V3の電圧E3と、第2電位差(E1−E3)と、第1電位差(E1−E2)と、第3電位差(E2−E3)との比が7:5:4:3:2:1となる。
図20は、実施の形態2に係るインバータ200により生成される擬似正弦波を示す図である。上述したように、実施の形態2では十三種類の電圧を生成することができる。制御部20は、ゼロ電圧、上記第3電位差(E2−E3)(正)、上記第1電位差(E1−E2)(正)、上記第2電位差(E1−E3)(正)、第3の直流電源V3の電圧E3(正)、第2の直流電源V2の電圧E2(正)、第1の直流電源V1の電圧E1(正)、第2の直流電源V2の電圧E2(正)、第3の直流電源V3の電圧E3(正)、上記第2電位差(E1−E3)(正)、上記第1電位差(E1−E2)(正)、上記第3電位差(E2−E3)(正)、ゼロ電圧、上記第3電位差(E2−E3)(負)、上記第1電位差(E1−E2)(負)、上記第2電位差(E1−E3)(負)、第3の直流電源V3の電圧E3(負)、第2の直流電源V2の電圧E2(負)、第1の直流電源V1の電圧E1(負)、第2の直流電源V2の電圧E2(負)、第3の直流電源V3の電圧E3(負)、上記第2電位差(E1−E3)(負)、上記第1電位差(E1−E2)(負)、上記第3電位差(E2−E3)(負)、ゼロ電圧の順番に、負荷300に供給する電圧を切り換えることにより、擬似正弦波を生成する。このように、階調数を増やすことにより、より滑らかな擬似正弦波を生成することができる。
以上のように、制御部20は、第1の直流電源V1からの電源電圧E1と、第2の直流電源V2からの電源電圧E2と、第3の直流電源V3からの電源電圧E3と、電源電圧E1と電源電圧E2の第1電位差(E1−E2)と、電源電圧E1と電源電圧E3の第2電位差(E1−E3)と、電源電圧E2と電源電圧E3の第3電位差(E2−E3)とを用いて、十三種類の電圧を生成し、擬似正弦波を発生させる。
図21は、実施の形態2に係るインバータ200により十三種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。階調レベル0は上記ゼロ電圧、階調レベル1は上記第3電位差(E2−E3)(正)、階調レベル2は上記第1電位差(E1−E2)(正)、階調レベル3は上記第2電位差(E1−E3)(正)、階調レベル4は第3の直流電源V3の電圧E3(正)、階調レベル5は第2の直流電源V2の電圧E2(正)、階調レベル6は第1の直流電源V1の電圧E1(正)、階調レベル−1は上記第3電位差(E2−E3)(負)、階調レベル−2は上記第1電位差(E1−E2)(負)、階調レベル−3は上記第2電位差(E1−E3)(負)、階調レベル−4は第3の直流電源V3の電圧E3(負)、階調レベル−5は第2の直流電源V2の電圧E2(負)、階調レベル−6は第1の直流電源V1の電圧E1(負)に、それぞれ対応する。制御部20は、図21に示すように、第1−1スイッチS11、第1−2スイッチS12、第1共通スイッチS3、第2共通スイッチS4、第2−1スイッチS21、第2−2スイッチS22、第3−1スイッチS31および第3−2スイッチS32をオンオフ制御する。
以上説明したように本発明の実施の形態2によれば、実施の形態1と比較し、より滑らかな正弦波を生成することができる。すなわち、実施の形態1に係るインバータ200に、第3の直流電源V3および第3のHブリッジ回路を追加することにより、実施の形態2に係るインバータ200は、実施の形態1に係るインバータ200に対して、階調数を六つ増やすことができる。
上記の例では、各階調レベル間の差を一致または小さくすることで滑らかな擬似正弦波を生成するという方針のもとで、第1の直流電源V1の電源電圧E1と、第2の直流電源V2の電源電圧E2と、第3の直流電源V3の電源電圧E3との比を、7:5:4に設定した。実施の形態1に関連して、図13および図14を用いて、電源電圧間の比率を最適に設定する方法を説明したが、直流電源の数が増えた実施の形態2においても、同じく、この探索方法を利用できる。この探索方法を用いると、
電源電圧E1:電源電圧E2:電源電圧E3=3:2.56:1
の最適比率が導き出される。このとき、電源電圧の最適比率とともに、電圧を切り換えるタイミングも導出される。
図22(a)は、最適比率に設定した電源電圧E1と電源電圧E2と電源電圧E3を用いて生成した擬似正弦波を示す。図22(b)は、第3の直流電源V3から負荷300に供給される電圧を示し、図22(c)は、第2の直流電源V2から負荷300に供給される電圧を示し、図22(d)は、第1の直流電源V1から負荷300に供給される電圧を示す。制御部20が、第1のHブリッジ回路、第2のHブリッジ回路および第3のHブリッジ回路を制御して、負荷300に供給する電圧を切り換えることで、図22(a)に示す滑らかな擬似正弦波を生成することが可能となる。
図23は、実施の形態2のインバータ200の実装回路を示す。第1の直流電源V1の電源電圧E1を96V、第2の直流電源V2の電源電圧E2を82V、第3の直流電源V3の電源電圧E3を32Vに設定して、3つの電源電圧の最適比率を実現する。図18と比較すると、図23において、第1−1スイッチS11はスイッチSW0、第1−2スイッチS12はスイッチSW2、第1共通スイッチS3はスイッチSW1、第2共通スイッチS4はスイッチSW3、第2−1スイッチS21はスイッチSW4、SW5、第2−2スイッチS22はスイッチSW6、SW7、第3−1スイッチS31はスイッチSW8、SW9、第3−2スイッチS32はスイッチSWS10、SW11に、それぞれ対応する。
図24は、図23に示すインバータ200により七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図である。階調レベル0はゼロ電圧、階調レベル1は電位差(E1−E2)(正)、階調レベル2は第3の直流電源V3の電圧E3(正)、階調レベル3は電位差(E2−E3)(正)、階調レベル4は電位差(E1−E3)(正)、階調レベル5は第2の直流電源V2の電圧E2(正)、階調レベル6は第1の直流電源V1の電圧E1(正)に、それぞれ対応する。3つの電源電圧が最適比率に設定されている場合、制御部20は、図24に示すように、スイッチSW0〜SW7をオンオフ制御する。
このように制御部20は、交流出力の位相0からπ/2までの間、すなわち1/4周期において、出力電圧を、ゼロ電圧、電位差(E1−E2)、電圧E3、電位差(E2−E3)、電位差(E1−E3)、電圧E2、電圧E1の順に変化させる。続いて制御部20は、交流出力の位相π/2からπまでの間、出力電圧を、電圧E1、電圧E2、電位差(E1−E3)、電位差(E2−E3)、電圧E3、電位差(E1−E2)、ゼロ電圧に変化させる。続いて制御部20は、交流出力の位相πから(3/2)πまでの間、出力電圧を、ゼロ電圧、電位差(E2−E1)、電圧(−E3)、電位差(E3−E2)、電位差(E3−E1)、電圧(−E2)、電圧(−E1)の順に変化させる。続いて制御部20は、交流出力の位相(3/2)πから2πまでの間、出力電圧を、電圧(−E1)、電圧(−E2)、電位差(E3−E1)、電位差(E3−E2)、電圧(−E3)、電位差(E2−E1)、ゼロ電圧に変化させる。このようにして制御部20は、擬似正弦波を発生させる。
図25は、図23に示すインバータ200の出力波形の測定結果を示す。負荷300に出力される電圧は、負荷右側の出力電圧(OUTR)と負荷左側の出力電圧(OUTL)の差分電圧(OUTR−OUTL)となる。差分電圧波形は、擬似正弦波であるが、図示されるように、実施の形態2では、電源電圧E1、E2、E3の比率を最適比率に設定していることで、正弦波に近い出力となっていることが分かる。
実施の形態2では、インバータ200で使用される直流電源の数およびHブリッジ回路の数を三つに設定する例を説明した。この点、直流電源の数およびHブリッジ回路の数を四つ以上設定することもできる。直流電源の数およびHブリッジ回路の数を四つ設定した場合、二十一種類の電圧を発生させることができる。
以下、インバータ200で使用される直流電源の数およびHブリッジ回路の数と、階調数との関係を一般的に記載する。すなわち、n(nは2以上の整数)個の直流電源が使用される場合、当該インバータ200は、n個のHブリッジ回路を備える。制御部20は、n個のHブリッジ回路により(n×2)種類の電圧を発生させるとともに、個の別のHブリッジ回路を形成することにより(×2)種類の電圧を発生させる。これら(n×2)種類の電圧および(×2)種類の電圧に、ゼロ電圧を加えると、(n×2+×2+1)種類の電圧を発生させることができる。n=5の場合、31種類の電圧を発生させることができ、n=6の場合、43種類の電圧を発生させることができる。
図26は、実施の形態に係るインバータ200を搭載したパワーコンディショナ210を含む太陽光発電システム500のシステム構成図である。太陽光発電システム500は、太陽電池モジュール100a、接続箱100bおよびパワーコンディショナ210を備える。パワーコンディショナ210は直流電力を交流電力に変換する電力変換装置として機能する。
太陽電池モジュール100aは、複数の太陽光パネルを含み、建物の屋根などに設置される。太陽電池モジュール100aは、太陽光を直流電力に変換して接続箱100bに出力する。
接続箱100bは、太陽電池モジュール100aに含まれる複数の太陽光パネルからの配線をまとめる。接続箱100bは、実施の形態に係るインバータ200で使用される直流電源の数に応じた複数の直流電圧を、パワーコンディショナ210に供給する。複数の太陽光パネルから当該複数の直流電圧を直接取得できる場合、そのままパワーコンディショナ400に供給することができる。複数の太陽光パネルから当該複数の直流電圧のすべてを取得できない場合、昇圧回路を用いて直接取得できない直流電圧を生成する。
パワーコンディショナ210は、実施の形態に係るインバータ200、およびフィルタ205を備える。インバータ200は、接続箱100bから供給される複数の直流電圧を用いて、擬似正弦波を生成する。フィルタ205は、インバータ200により生成された擬似正弦波を平滑化する。
上述したように、インバータ200で、より滑らかな正弦波を生成しようとする場合、インバータ200で使用される直流電源の数およびHブリッジ回路の数を増やす必要がある。ただし、インバータ200で滑らかな正弦波が生成されるほど、後段のフィルタ205の強度を低くすることができる。したがって、インバータ200の回路規模と、フィルタ205の回路規模とは、トレードオフの関係となる。
パワーコンディショナ210により生成された交流電力は、負荷300に供給される。たとえば、家庭用の太陽光発電システム500では、分電盤を通じて、家庭内の電気機器に供給されるか、送電線網に供給される。
以上説明したように、実施の形態に係るインバータ200を、太陽光発電システム500用のパワーコンディショナ210に適用することにより、エネルギー変換効率の高い太陽光発電システム500を構築することができる。
以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
上述した実施の形態では、階調数を増やすことにより擬似正弦波を滑らかにする手法を説明した。以下の説明では、階調数を増やすことなく擬似正弦波を滑らかにする手法を説明する。
制御部20は、擬似正弦波を構成する少なくとも一つの階調を、その階調の電圧およびその隣りの階調の電圧をハイレベルおよびローレベルとするPWM(Pulse Width Modulation)信号を発生させ、インバータ200を構成する各スイッチに供給する。
図27(a)、(b)は、図23に示した実施の形態2のインバータ200の実装回路を用いて、擬似正弦波(PWM信号の使用なし)を生成した場合のシミュレーション結果を示す図である。図27(a)は時間軸データを示し、図27(b)は周波数軸データを示す。上述したように実施の形態2では、十三種類の階調レベルを用いて擬似正弦波を生成している。図27(b)に示すシミュレーションでは、信号に占める39次の高調波歪が4.84%という結果になった。
図28(a)、(b)は、図23に示した実施の形態2のインバータ200の実装回路を用いて、擬似正弦波(PWM信号の使用あり)を生成した場合のシミュレーション結果を示す図である。図28(a)は時間軸データを示し、図28(b)は周波数軸データを示す。図28(b)に示すシミュレーションでは、信号に占める39次の高調波歪が0.11%という結果になった。このように、同じ階調数であれば、各階調をPWM信号で表現したほうが、擬似正弦波がより滑らかになることが分かる。
図29は、図23に示した実施の形態2のインバータ200の実装回路を用いて、擬似正弦波(PWM信号の使用あり)を生成する場合に必要なPWM波形データを説明するための図である。十三種類の階調レベルを用いて擬似正弦波を生成するには、六種類のPWM波形データ(A−F)が必要がある。
擬似正弦波の位相0からπ/2までの間、ゼロ電圧と六種類のPWM波形データ(A−F)を、ゼロ電圧の使用の後、PWM波形データFからPWM波形データAの順に切り替えて使用する。位相π/2からπまでの間、六種類のPWM波形データ(A−F)の左右を反転させて、PWM波形データA’からPWM波形データF’の順に切り替えて使用する。
位相πから(3/2)πまでの間、六種類のPWM波形データ(A−F)の上下を反転させて、PWM波形データFからPWM波形データAの順に切り替えて使用する。位相(3/2)πから2πまでの間、六種類のPWM波形データ(A−F)の上下および左右を反転させて、PWM波形データA’からPWM波形データF’の順に切り替えて使用する。
制御部20の外部または内部に図示しないテーブルが設けられ、当該テーブルには、擬似正弦波を構成する階調単位で、PWM波形データが保持される。各階調のPWM波形データは、既存の最適化アルゴリズムを用いて高周波歪が最も小さくなる波形に設計される。
なお、当該テーブルには、擬似正弦波の生成に必要な基本となるPWM波形データのみが保持されてもよいし、擬似正弦波の生成に必要なすべてのPWM波形データが保持されてもい。図29の例では、六種類のPWM波形データ(A−F)のみが保持されてもよいし、二十四種類のPWM波形データが保持されてもよい。
制御部20は、当該テーブルに保持されるPWM波形データを使用して擬似正弦波を発生させるためのPWM信号を生成する。当該デーブルに基本となるPWM波形データのみしか保持されていない場合、そのPWM波形データを上下および/または左右に反転してPWM信号を生成する。
図30は、図23に示すインバータ200により七種類の階調レベルを生成する際の、スイッチのオンオフ状態を示す図に、印加電圧のレベルを追加した図である。1階調と2階調間、2階調と3階調間といったように、隣り合う階調の印加電圧間を往復することにより、PWM信号を生成することができる。なお、以下の説明では上述した、電圧E1を高電圧HV、電圧E2を中電圧MVおよび電圧E3を低電圧LVと表記する。
図31は、図30に示すスイッチングパターンを用いて、PWM信号を生成した結果を示す図である。なお、グラフ内の「A」−「F」は、図29のPWM波形データ(A−F)を生成するためのスイッチングパターンを示す。グラフ内の「/A」−「/F」は、「A」−「F」の正と負を反転させたパターンである。たとえば、「2階調」ではSW3、SW9が図30では「○」、図31では「E」である。図30の「1階調」ではSW0、SW6が「○」である。図31の「2階調」ではこのSW0、SW6が「/E」である。
図31の「2階調」に注目すると、「E」のPWMパターンでハイレベルのときはSW3、SW9がオンし、「E」のPWMパターンでローレベルのときは「/E」がハイレベルとなるので、SW0、SW6がオンする。これにより、図30の「1階調」と「2階調」の往復動作が実現できる。
つぎに、実施の形態2のインバータ200に供給する高電圧HV、中電圧MVおよび低電圧LVの生成に適した電源システム100cについて説明する。
図32は、実施の形態2のインバータ200への電圧供給に適した電源システム100cを説明するための図である。電源システム100cには、直流電源(たとえば、太陽電池またはリチウムイオン、ニッケル水素、鉛などの二次電池)から一種類の直流電圧が供給される。電源システム100cは、この直流電圧をもとに高電圧HV、中電圧MVおよび低電圧LVを生成する。電源システム100cは、第1電源装置101(HV電源装置ともいう)、第2電源装置102(MV電源装置ともいう)および第3電源装置103(LV電源装置ともいう)の三つの電源装置を備える。
第1電源装置101、第2電源装置102および第3電源装置103はそれぞれ、高電圧HV、中電圧MV、低電圧LVを生成し、インバータ200に供給する。以下、高電圧HV、中電圧MVおよび低電圧LVをそれぞれ48V、41Vおよび16Vに設定する例で説明する。
第1電源装置101および第2電源装置102は、昇圧型DC−DCコンバータ(昇圧チョッパともいう)を含む、一般的な電源装置で構成される。第3電源装置103の構成については後述する。
図33は、インバータ200により生成された擬似正弦波を示す図である。上述したように本設定例では、高電圧HV:中電圧MV:低電圧LV=48V:41V:16V=3:2.56:1である。低電圧LVに維持されるべきノードには、高電圧HVおよび中電圧MVの系統から電流が流れこむ(図33の斜線部参照)。すなわち、平均すれば流入電流>流出電流の関係になる。中電圧MVに維持されるべきノードにも、高電圧HVの系統から電流が流入するが、グラウンドGND及び低電圧LVに維持されるべきノードに電流を流出するため、一周期で平均すると流入電流<流出電流の関係になる。
図34は、第3電源装置103の基本回路構成を示す図である。第3電源装置103は、比較器CP1および昇圧型DC−DCコンバータ10を備える。比較器CP1は、中電圧MVの系統から電流が流入するノードの電圧と、そのノードを低電圧LVに維持するための参照電圧Vrefとを比較する。
図34の回路構成では、比較器CP1はオペアンプで構成され、その非反転入力端子に上記ノードの電圧が印加され、その反転入力端子に参照電圧Vrefが印加される。当該ノードの電圧が参照電圧Vrefを超えるときハイレベル信号を出力し、超えないときローレベル信号を出力する。
昇圧型DC−DCコンバータ10は、比較器CP1に入力されるノードの電圧を受け、当該電圧を中電圧MVより高い電圧に昇圧し、中電圧MVの系統に印加する。昇圧型DC−DCコンバータ10は、比較器CP1による比較の結果、当該ノードの電圧が参照電圧Vrefより高いとき昇圧機能を有効化し、当該ノードの電圧が参照電圧Vref以下のとき昇圧機能を無効化する。図34の回路構成では、比較器CP1からハイレベル信号が入力されると、昇圧型DC−DCコンバータ10の昇圧機能が有効化し、ローレベル信号が入力されると、無効化される。
昇圧型DC−DCコンバータ10により昇圧された電圧が、第2電源装置102の出力系統に印加されることにより、低電圧LVに維持されるべきノードに蓄積される電荷が中電圧MVの系統に戻される。そのためには、昇圧型DC−DCコンバータ10が中電圧MV(本設定例41V)を超える電圧まで昇圧し、昇圧型DC−DCコンバータ10から第2電源装置102の出力系統に電流を流す必要がある。
図35は、第3電源装置103の具体的な回路構成例を示す図である。第3電源装置103は、比較器CP1、可変抵抗器VR、昇圧型DC−DCコンバータ10、パルス発生器11、ANDゲート12およびフォトカプラ13を含む。
比較器CP1の反転入力端子に印加される参照電圧Vrefは、図35に示す回路構成の電源電圧(たとえば、5V)を図示しない抵抗分割により生成される。たとえば、2.5Vに設定される。低電圧LVは可変抵抗器VRにより抵抗分割されて、比較器CP1の非反転入力端子に印加される。可変抵抗器VRは、低電圧LVが理想値のとき参照電圧Vrefと一致するように抵抗分割する。
パルス発生器11(たとえば、ファンクションジェネレータ)は、パルス信号を生成する。ANDゲート12は、パルス発生器11により生成されるパルス信号と、比較器CP1から出力される比較結果信号(イネーブル信号として利用される)を受ける。
ANDゲート12は、比較器CP1の出力信号がハイレベルのとき、パルス発生器11の出力信号をそのまま出力し、比較器CP1の出力信号がローレベルのとき、ローレベルを出力する。ANDゲート12の出力信号は、フォトカプラ13を介して後述するスイッチング素子M1に入力される。
このように、ANDゲート12は、上記ノードの電圧(より厳密には可変抵抗器VRにより分割された低電圧VL)が参照電圧Vrefより高いとき、パルス信号をスイッチング素子M1に供給し、当該ノードの電圧が参照電圧Vref以下のときスイッチング素子M1にオフ信号(ローレベル)を供給する。
昇圧型DC−DCコンバータ10は、インダクタL1、ダイオードD1、スイッチング素子M1、第1キャパシタC1および第2キャパシタC2を含む。インダクタL1とダイオードD1の直列回路は、電流が流入するノード(低電圧LVを維持するよう制御されている)に接続される入力端子と、電流を流出している中電圧MVの系統に接続される出力端子との間に設けられる。
スイッチング素子M1(図35では、パワーMOSFETで構成される)は、インダクタL1とダイオードD1の接続点と、所定の固定電位(図35では、グラウンド)との間に設けられる。スイッチング素子M1(図35では、パワーMOSFETのゲート端子)にパルス信号が入力されると、昇圧型DC−DCコンバータ10は昇圧動作を開始し、オフ信号が入力されると停止する。
第1キャパシタC1は、昇圧型DC−DCコンバータ10の入力端子と当該固定電位との設けられ、当該入力端子の電圧を平滑化する。第2キャパシタC2は、昇圧型DC−DCコンバータ10の出力端子と当該固定電位との設けられ、当該出力端子の電圧を平滑化する。
以上説明しように第3電源装置103は、昇圧型DC−DCコンバータの入力側を利用して電流が流入するノードの電圧を一定に保ちつつ、その昇圧機能を利用して余分な電荷を流出元に還流させて、無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
すなわち、当該ノードへの電荷の流入により当該ノードの電位が上昇し、参照電位を上回ると比較器の出力が有意なレベル(上述した例ではハイレベル)に反転する。これにより、昇圧型DC−DCコンバータが起動する。すなわち、比較器の出力は昇圧型DC−DCコンバータのイネーブル信号となる。
昇圧型DC−DCコンバータの動作開始により、昇圧型DC−DCコンバータの出力電圧が上記流出元の電圧を超えると、当該流出元に電流が流れ、上記ノードの電位が低下する。そのノードの電位が比較器の参照電位を下回ると、昇圧型DC−DCコンバータの動作が停止する。したがって、当該ノードの電位を一定に保つことができる。また、当該ノードに余分に蓄積される電荷は、流出元に還元されるため、原理的には無駄な消費電力がまったく発生しないことになる。
図36は、図34に示した第3電源装置103の回路構成と比較すべき回路構成を示す図である。この比較例に係る第3電源装置103cも、電流が流入するノードの電位を一定に保つことができる。当該第3電源装置103cは、比較器CP1cおよびスイッチング素子M1cおよび抵抗Rcを含む。
比較器CP1cに入力される電圧は、図36に示した回路構成と同じである。比較器CP1cの出力端子は、スイッチング素子M1c(図36では、パワーMOSFETのゲート端子)の制御端子に接続される。スイッチング素子M1cの入力端子(図36では、パワーMOSFETのドレイン端子)は上記ノードに接続され、その出力端子(図36では、パワーMOSFETのソース端子)は抵抗Rcを介して接地される。
当該ノードに余分な電荷が流入すると、スイッチング素子M1cがオンし、当該電荷が抵抗Rcに流れ、ジュール熱として放出される。このように、図36の回路構成と図34の回路構成を比較すると、前者が無駄なエネルギーを消費しており、後者が原理的にエネルギーロスが発生しないことが分かる。
また、上述した実施の形態1、2では、インバータ200に含まれるすべてのHブリッジの回路の低電位側の経路を共通化する例を説明したが、共通化しない回路構成も本発明に含まれる。また、すべてのHブリッジ回路の低電位側経路の一部を共通化し、残りを共通化しない回路構成も本発明に含まれる。
また、実施の形態に係るインバータ200を太陽光発電システム500用のパワーコンディショナ210に適用する例を説明したが、それに限定されることになく、瞬低保護装置、無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply:UPS)、その他の装置にも適用可能である。
100 直流電源部、 200 インバータ、 V1 第1の直流電源、 V2 第2の直流電源、 V3 第3の直流電源、 S11 第1−1スイッチ、 S12 第1−2スイッチ、 S21 第2−1スイッチ、 S22 第2−2スイッチ、 S31 第3−1スイッチ、 S32 第3−2スイッチ、 S3 第1共通スイッチ、 S4 第2共通スイッチ、 20 制御部、 100a 太陽電池モジュール、 100b 接続箱、 205 フィルタ、 210 パワーコンディショナ、 300 負荷、 500 太陽光発電システム。

Claims (13)

  1. それぞれ電圧が異なる複数の直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータであって、擬似正弦波を発生させる制御部を備え、
    前記制御部は、それぞれの直流電源からの電源電圧と、2つの電源電圧の電位差を用いて、擬似正弦波を発生させることを特徴とするインバータ。
  2. 前記制御部は、第1直流電源からの電源電圧E1と、第2直流電源からの電源電圧E2(E1>E2)と、電源電圧E1と電源電圧E2の電位差(E1−E2)とを用いて、擬似正弦波を発生させることを特徴とする請求項1に記載のインバータ。
  3. 前記制御部は、交流出力の1/4周期の間において、出力電圧を、電源電圧E1と電源電圧E2の電位差(E1−E2)、電源電圧E2、電源電圧E1の順に変化させて、擬似正弦波を発生させることを特徴とする請求項2に記載のインバータ。
  4. 前記制御部は、第1直流電源からの電源電圧E1と、第2直流電源からの電源電圧E2と、第3直流電源からの電源電圧E3(E1>E2>E3)と、電源電圧E1と電源電圧E2の電位差(E1−E2)と、電源電圧E1と電源電圧E3の電位差(E1−E3)と、電源電圧E2と電源電圧E3の電位差(E2−E3)とを用いて、擬似正弦波を発生させることを特徴とする請求項1に記載のインバータ。
  5. 前記制御部は、交流出力の1/4周期の間において、出力電圧を、電源電圧E1と電源電圧E2の電位差(E1−E2)、電源電圧E3、電源電圧E2と電源電圧E3の電位差(E2−E3)、電源電圧E1と電源電圧E3の電位差(E1−E3)、電源電圧E2、電源電圧E1の順に変化させて、擬似正弦波を発生させることを特徴とする請求項4に記載のインバータ。
  6. 複数の直流電源ごとに設けられ、当該複数の直流電源のそれぞれから負荷に順方向電圧および逆方向電圧を供給するための複数のHブリッジ回路とをさらに備え、
    前記制御部は、前記複数のHブリッジ回路を制御することにより擬似正弦波を発生させるものであって、
    前記制御部は、前記複数の直流電源のうち、第1直流電源と前記負荷を接続する第1のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路を無効にし、かつ第1直流電源と異なる第2直流電源と前記負荷を接続する第2のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路を無効にし、かつ前記第1のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路と前記第2のHブリッジ回路を形成する二本の高電位側経路を有効にすることにより、前記複数のHブリッジ回路と異なる別のHブリッジ回路を形成することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のインバータ。
  7. 前記複数のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路は、共通化されていることを特徴とする請求項6に記載のインバータ。
  8. 前記第1直流電源の電源電圧が前記第2直流電源の電源電圧より高い場合、
    前記別のHブリッジ回路を形成する二本の低電位側経路にそれぞれ挿入されるスイッチが、双方向スイッチング素子で構成されることを特徴とする請求項6または7に記載のインバータ。
  9. n(nは2以上の整数)個の直流電源が使用される場合、当該インバータは、n個のHブリッジ回路を備え、
    前記制御部は、前記n個のHブリッジ回路により(n×2)種類の電圧を発生させるとともに、個の別のHブリッジ回路を形成することにより(×2)種類の電圧を発生させることを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載のインバータ。
  10. 前記制御部は、前記擬似正弦波を構成する少なくとも一つの階調を、その階調の電圧およびその隣りの階調の電圧をハイレベルおよびローレベルとするPWM(Pulse Width Modulation)信号を発生させることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載のインバータ。
  11. 前記擬似正弦波を構成する階調単位で、PWM波形データを保持するテーブルをさらに備え、
    前記制御部は、前記テーブルに保持されるPWM波形データを用いて前記擬似正弦波を発生させるためのPWM信号を生成することを特徴とする請求項10に記載のインバータ。
  12. 請求項1から11のいずれかに記載のインバータを備えることを特徴とする電力変換装置。
  13. さらに、前記インバータにより生成された擬似正弦波を平滑化するフィルタとを備えたことを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
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