JP2012175881A - Power conversion apparatus - Google Patents

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Hideki Ishimoto
英樹 石元
Masanori Kageyama
正則 景山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion apparatus in which a substrate size is reduced by reducing the number of components of a power-supply unit that supplies driving power to a gate driving circuit for semiconductor switching elements such as IGBTs or FETs.SOLUTION: A power conditioner 1 comprises: a plurality of semiconductor switching elements 6 and 7; a plurality of gate driving circuits 8 and 9 that drive the semiconductor switching elements 6 and 7, respectively; and a power-supply unit 10 that supplies driving power to the gate driving circuits 8 and 9. The power-supply unit 10 is constituted from a high-frequency AC power supply. The power conditioner 1 is further provided, at the input sides of the gate driving circuits 8 and 9, with pulse transformers 13 and 14 that convert a high-frequency alternating current output from the power-supply unit 10 into a direct current.

Description

この発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に分散電源を系統に連系するパワーコンディショナ等に用いる電力変換装置に関するものである。   The present invention relates to a power conversion device that converts DC power into AC power, and more particularly to a power conversion device that is used in a power conditioner or the like that connects a distributed power source to a system.

パワーコンディショナは、例えばソーラパワーコンディショナに示されるように、太陽電池である分散電源で発電された直流電力を昇圧し、PWM制御のインバータを用いて電力会社による単相3線式または三相3線式などの商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換してその商用系統に電力を出力する。即ち、パワーコンディショナは、昇圧部とインバータ部を備え、昇圧部は太陽電池の電圧を系統へ連系するのに必要となる電圧まで昇圧し、インバータ部は4つのスイッチング素子で構成されて、系統電圧に同期した位相の出力電流となるようにPWMスイッチングを行い、系統へ交流電力を出力する。   For example, as shown in a solar power conditioner, a power conditioner boosts DC power generated by a distributed power source that is a solar cell, and uses a PWM-controlled inverter to provide a single-phase three-wire system or a three-phase system. It converts into AC power according to the frequency and voltage of a commercial system such as a three-wire system, and outputs power to the commercial system. That is, the power conditioner includes a boosting unit and an inverter unit, the boosting unit boosts the voltage of the solar cell to a voltage required to connect to the system, and the inverter unit is composed of four switching elements. PWM switching is performed so that the output current has a phase synchronized with the system voltage, and AC power is output to the system.

ところで、パワーコンディショナの昇圧部やインバータ部には、一般に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やFET(Field effect transistor)などの半導体スイッチング素子が複数用いられており、このIGBTやFETなどの半導体スイッチング素子を複数用いる場合、半導体スイッチング素子およびそのゲートドライブ回路はそれぞれ絶縁されている必要がある。   By the way, in general, a plurality of semiconductor switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and FETs (Field Effect Transistors) are used in the boosting unit and the inverter unit of the power conditioner. When a plurality of elements are used, the semiconductor switching element and its gate drive circuit must be insulated from each other.

例えば、特開2009−284562号公報(特許文献1)には、直流電圧を高速でスイッチングする複数の半導体スイッチング素子と、これらの半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動する複数のゲートドライブ回路と、これらのゲートドライブ回路に整流回路を介してそれぞれ駆動用電力を供給するゲート用電源とで構成された高周波交流電源装置が開示されている。   For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2009-284562 (Patent Document 1) discloses a plurality of semiconductor switching elements that switch DC voltage at high speed, a plurality of gate drive circuits that respectively drive these semiconductor switching elements, and gates thereof. There is disclosed a high-frequency AC power supply apparatus configured with a gate power supply that supplies drive power to a drive circuit via a rectifier circuit.

そして、ゲート用電源には、閉じた磁路を形成する複数のトランスコアと、これらのトランスコアを貫通する共通の1次巻線と、この1次巻線と空間距離を設けて前記トランスコアに巻回され、前記各ゲートドライブ回路にそれぞれ接続された複数の2次巻線と、直流電圧をスイッチングし、共通の1次巻線に交流電圧を供給するトランスドライブ回路が備えられている。   The gate power supply is provided with a plurality of transformer cores that form closed magnetic paths, a common primary winding that passes through these transformer cores, and a spatial distance from the primary winding. And a plurality of secondary windings connected to the respective gate drive circuits, and a transformer drive circuit for switching a DC voltage and supplying an AC voltage to a common primary winding.

特開2009−284562号公報(要約の欄、図3、図4)JP 2009-284562 A (summary column, FIGS. 3 and 4)

パワーコンディショナにより高度な制御を実現するためには、昇圧部やインバータ部のIGBTやFETなどの半導体スイッチング素子を多くする必要があるが、半導体スイッチング素子を増やした場合、前述のように、半導体スイッチング素子およびそのゲートドライブ回路はそれぞれが絶縁されている必要がある。前記特許文献1に開示された電源装置では、トランスコアに巻回された2次巻線の出力を、整流回路を介して直流とし、ゲートドライブ回路に直流駆動用電力として供給しているため、ゲートドライブ回路に駆動用電力を供給する電源装置の部品点数が増え、基板サイズが大きくなり、また電源装置から半導体スイッチング素子への総配線長が長くなる課題がある。   In order to realize advanced control by the power conditioner, it is necessary to increase the number of semiconductor switching elements such as IGBTs and FETs in the boosting unit and the inverter unit. However, when the number of semiconductor switching elements is increased, as described above, the semiconductor The switching element and its gate drive circuit must be insulated from each other. In the power supply device disclosed in Patent Document 1, the output of the secondary winding wound around the transformer core is set to DC via the rectifier circuit and supplied to the gate drive circuit as DC drive power. There are problems in that the number of components of the power supply device that supplies driving power to the gate drive circuit increases, the substrate size increases, and the total wiring length from the power supply device to the semiconductor switching element increases.

この発明の目的は、IGBTやFETなどの半導体スイッチング素子のゲートドライブ
回路に駆動用電力を供給する電源装置の部品点数を減少させて基板サイズを小さくした電力変換装置を提供するものである。
An object of the present invention is to provide a power conversion device in which the number of parts of a power supply device that supplies driving power to a gate drive circuit of a semiconductor switching element such as an IGBT or FET is reduced to reduce the substrate size.

この発明に係る電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、複数の半導体スイッチング素子と、これらの半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動する複数のゲートドライブ回路と、これらのゲートドライブ回路にそれぞれ駆動用電力を供給する電源装置とを備えた電力変換装置において、前記電源装置を高周波交流電源で構成すると共に、前記ゲートドライブ回路の入力側に、前記電源装置から出力される高周波交流を直流に変換するパルストランスを備えたものである。   A power conversion device according to the present invention is a power conversion device that converts DC power of a DC power source into AC power, a plurality of semiconductor switching elements, and a plurality of gate drive circuits that respectively drive these semiconductor switching elements, A power conversion device including a power supply device that supplies driving power to each of the gate drive circuits, wherein the power supply device is configured with a high-frequency AC power supply, and is output from the power supply device to an input side of the gate drive circuit. It comprises a pulse transformer that converts high frequency alternating current to direct current.

この発明によれば、IGBTやFETなどの半導体スイッチング素子のゲートドライブ回路の電源を高周波交流電源装置としたので、その出力端をそれぞれ絶縁する必要がなくなって電源装置の部品点数が減り、基板サイズを小さくすることができる。   According to the present invention, since the power source of the gate drive circuit of the semiconductor switching element such as IGBT or FET is a high-frequency AC power supply device, it is not necessary to insulate the output terminals, reducing the number of parts of the power supply device, and the substrate size. Can be reduced.

この発明の実施の形態1に係る電力変換装置を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention.

以下、添付の図面を参照して、この発明に係る電力変換装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態により発明が限定されるものではなく、諸種の設計的変更を含むものである。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a power conversion device according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment, and includes various design changes.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置を説明するブロック図である。図1に示すように、電力変換装置(以下、パワーコンディショナと称する。)1は、昇圧部2とインバータ部3を備え、太陽電池である分散電源4で発電された直流電力を昇圧部2で昇圧し、インバータ部3を用いてPWM制御し、電力会社による単相3線式または三相3線式などの商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換している。そして、商用系統電源5に電力を出力している。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, a power converter (hereinafter referred to as a power conditioner) 1 includes a booster unit 2 and an inverter unit 3, and converts DC power generated by a distributed power source 4 that is a solar cell into a booster unit 2. The voltage is boosted by the inverter unit 3 and PWM controlled using the inverter unit 3 to convert the power into AC power according to the frequency and voltage of a commercial system such as a single-phase three-wire system or a three-phase three-wire system by an electric power company. Then, power is output to the commercial power supply 5.

昇圧部2とインバータ部3は、それぞれ4つのIGBTあるいはFETなどの半導体スイッチング素子6、7から構成されており、インバータ部3は上述のように、系統電圧に同期した位相の出力電流となるようにPWMスイッチングを行い、系統へ交流電力を出力するように構成されている。また、昇圧部2とインバータ部3の半導体スイッチング素子6、7は、それぞれ互いに絶縁されたゲートドライブ回路8、9により駆動される。   The step-up unit 2 and the inverter unit 3 are each composed of four semiconductor switching elements 6 and 7 such as IGBTs or FETs, and the inverter unit 3 outputs an output current having a phase synchronized with the system voltage as described above. PWM switching is performed and AC power is output to the system. The semiconductor switching elements 6 and 7 of the booster unit 2 and the inverter unit 3 are driven by gate drive circuits 8 and 9 that are insulated from each other.

ゲートドライブ回路8、9に駆動用電力を供給する電源装置10は、太陽電池である分散電源4で発電された直流電力を入力する電源入力部11と高周波交流を出力する電源交流出力部12を備えている。また、ゲートドライブ回路8、9の入力側には、電源装置10の電源交流出力部12から出力される高周波の交流を直流に変換するパルストランス13、14が備えられている。なお、電源交流出力部12から昇圧部2のゲートドライブ回路8への配線15は、パルストランス13の相互間をチェーン状に接続しており、電源交流出力部12からインバータ部3のゲートドライブ回路9への配線16も同様に構成されている。   A power supply device 10 that supplies driving power to the gate drive circuits 8 and 9 includes a power supply input unit 11 that inputs DC power generated by the distributed power supply 4 that is a solar battery, and a power supply AC output unit 12 that outputs high-frequency AC. I have. On the input side of the gate drive circuits 8 and 9, pulse transformers 13 and 14 that convert high-frequency AC output from the power supply AC output unit 12 of the power supply device 10 into DC are provided. Note that the wiring 15 from the power supply AC output unit 12 to the gate drive circuit 8 of the booster unit 2 connects the pulse transformers 13 in a chain shape, and the power supply AC output unit 12 to the gate drive circuit of the inverter unit 3. The wiring 16 to 9 is similarly configured.

以上説明したように、実施の形態1に係るパワーコンディショナ1は、昇圧部2あるいはインバータ部3の半導体スイッチング素子6、7を駆動するゲートドライブ回路8、9に駆動用電力を供給する電源装置10が、高周波交流の電源装置で構成されているので、
その電源交流出力部12でそれぞれ絶縁する必要がなくなる。従って、部品点数の削減が可能となり、基板サイズが小さくなる。
As described above, the power conditioner 1 according to the first embodiment is a power supply device that supplies driving power to the gate drive circuits 8 and 9 that drive the semiconductor switching elements 6 and 7 of the booster unit 2 or the inverter unit 3. 10 is composed of a high-frequency AC power supply device,
It is not necessary to insulate each of the power supply AC output units 12. Therefore, the number of parts can be reduced, and the board size is reduced.

また、電源装置10からゲートドライブ回路8、9への配線15、16をチェーン状に接続し、パワーコンディショナ1に使用するIGBTあるいはFETなどの半導体スイッチング素子6、7への電力供給を、同一の信号で行うことができるため、配線数を低減して総配線長を短くできる効果がある。   In addition, the wirings 15 and 16 from the power supply device 10 to the gate drive circuits 8 and 9 are connected in a chain shape, and the power supply to the semiconductor switching elements 6 and 7 such as IGBTs or FETs used in the power conditioner 1 is the same. Therefore, there is an effect that the total number of wirings can be reduced and the total wiring length can be shortened.

1 パワーコンディショナ
2 昇圧部
3 インバータ部
4 分散電源(太陽電池)
5 商用系統電源
6、7 半導体スイッチング素子
8、9 ゲートドライブ回路
10 電源装置
11 電源入力部
12 電源交流出力部
13、14 パルストランス
15、16 配線
1 Power conditioner 2 Booster 3 Inverter 4 Distributed power supply (solar cell)
5 Commercial system power supply 6 and 7 Semiconductor switching element 8 and 9 Gate drive circuit 10 Power supply device 11 Power supply input part 12 Power supply AC output part 13 and 14 Pulse transformer 15 and 16

Claims (2)

直流電源の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、複数の半導体スイッチング素子と、これらの半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動する複数のゲートドライブ回路と、これらのゲートドライブ回路にそれぞれ駆動用電力を供給する電源装置とを備えた電力変換装置において、
前記電源装置を高周波交流電源で構成すると共に、前記ゲートドライブ回路の入力側に、前記電源装置から出力される高周波交流を直流に変換するパルストランスを備えたことを特徴とする電力変換装置。
A power conversion device that converts DC power of a DC power source into AC power, a plurality of semiconductor switching elements, a plurality of gate drive circuits that respectively drive these semiconductor switching elements, and a drive for each of these gate drive circuits In a power conversion device comprising a power supply device for supplying power,
A power converter comprising: a power transformer configured with a high-frequency alternating current power supply; and a pulse transformer for converting high-frequency alternating current output from the power supply into direct current on an input side of the gate drive circuit.
前記電源装置から前記ゲートドライブ回路への配線をチェーン状に接続したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein wiring from the power supply device to the gate drive circuit is connected in a chain shape.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015039398A1 (en) * 2013-09-23 2015-03-26 广东美的制冷设备有限公司 Intelligent power module and manufacturing method thereof

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