JP2014039454A - 混合型直流交流変換システムおよびその制御方法 - Google Patents

混合型直流交流変換システムおよびその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】直流交流変換の変換効率を向上できる混合型直流交流変換システムを提供する。
【解決手段】第1直流入力電圧Vdc1を供給する第1直流電源10と、電圧値が第1直流入力電圧Vdc1よりも大きい第2直流入力電圧Vdc2を供給する第2直流電源20と、第1直流電源10および第2直流電源20と並列に接続し、第1直流入力電圧Vdc1または第2直流入力電圧Vdc2を交流出力電圧Vに変換する電源変換装置30と、比較ユニット60とを備え、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下である場合、第1直流入力電圧Vdc1を交流出力電圧Vに変換するように、電源変換装置30を制御する制御信号Sを出力し、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きい場合、第2直流入力電圧Vdc2を交流出力電圧Vに変換するように、電源変換装置30を制御する制御信号Sを出力する混合型直流交流変換システム。
【選択図】図3A

Description

本発明は、混合型直流交流変換システムおよびその制御方法に関し、特に異なる定格電圧を有する直流電源を電力として供給する、混合型直流交流変換システムおよびその制御方法に関する。
図1は、従来技術の二段構成のインバータの電気回路を示す図である。二段構成のインバータは、主に直流変換器(DC−to−DC converter)10A、フルーブリッジインバータ(Full−Bridge DA−to−AC Inverter)20Aを有する。フルーブリッジインバータ20Aは、一個のパワースイッチおよび当該パワースイッチと並列に接続される一個のダイオード(diode)を一組として、計四組のパワースイッチS1〜S4とダイオードにより構成される。フルーブリッジインバータ20Aと直流変換器10Aは、並列に接続されている。両者の間には、さらにバイパスコンデンサC1が並列に接続され、電圧を一定に保っている。
ここで、二段構成のインバータの直流変換器10Aは、入力される直流電圧Vdcの大きさを変換して、コンデンサ電圧Vc1を生成する。そして、フルーブリッジインバータ20Aは、さらにコンデンサ電圧Vc1を、振幅および周波数が調整可能な正弦波交流電圧に変換する。最後は、第1フィルタコイルL1、第2フィルタコイルL2およびフィルタコンデンサを含むフィルタ回路30Aにより、正弦波交流電圧にフィルタをかけてから、負荷40Aへの電力として供給する。
上記のような二段構成のインバータにおいて、交流出力電圧の安定性を維持するためには、コンデンサ電圧Vc1を、必ず、最大負荷電圧の絶対値よりも大きくしならなければならない。そのため、直流変換器10Aは、通常、昇圧式トポロジーを採用して、負荷40Aの必要な電圧をリアリティに供給して、電圧安定化の効果を実現している。
しかしながら、上記のようなフルーブリッジインバータでは、パワースイッチS1〜S4の切替えによって生成されるスイッチング損失が、パワースイッチS1〜S4の両端の電圧差に正比例する。負荷40Aの必要な電圧を供給するため、コンデンサ電圧Vc1を最大負荷電圧の絶対値よりも大きくするという条件の下では、パワースイッチS1〜S4によるスイッチング損失がさらに大きくなってしまう。また、電圧安定化の効果を実現するために、直流変換器10Aを採用してインバータを二段に構成するトポロジーは、直流交流変換の変換効率をさらに低下させる。
本発明は、上記従来技術の課題を解決するために鑑みてなされたものであり、異なる定格電圧を有する直流電源を電力として供給することにより、パワースイッチのスイッチング損失を減らし、直流交流変換の変換効率を向上できる直流交流変換システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
上記従来技術の課題を解決するための本発明に係る混合型直流交流変換システムは、第1直流入力電圧を供給する第1直流電源と、電圧値が前記第1直流入力電圧よりも大きい第2直流入力電圧を供給する第2直流電源と、前記第1直流電源および前記第2直流電源と並列に接続し、前記第1直流入力電圧または前記第2直流入力電圧を交流出力電圧に変換して、負荷への電力として供給する電源変換装置と、前記交流出力電圧および外部基準電圧が入力される比較ユニットと、を備え、前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下である場合、前記比較ユニットは、前記第1直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換するように、前記電源変換装置を制御する制御信号を出力し、前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きい場合、前記比較ユニットは、前記第2直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換するように、前記電源変換装置を制御する前記制御信号を出力する。
上記従来技術の課題を解決するための本発明に係る混合型直流交流変換システムの制御方法は、第1直流電源から第1直流入力電圧を供給し、第2直流電源から電圧値が前記第1直流入力電圧よりも大きい第2直流入力電圧を供給する第(a)ステップと、前記第1直流電源および前記第2直流電源と並列に接続する電源変換装置により、前記第1直流入力電圧または前記第2直流入力電圧を交流出力電圧に変換する第(b)ステップと、比較ユニットに前記交流出力電圧および外部基準電圧が入力される第(c)ステップと、前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下である場合、前記比較ユニットは、前記第1直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換して負荷への電力として供給するように、前記電源変換装置を制御する制御信号を出力する第(d)ステップと、前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きい場合、前記比較ユニットは、前記第2直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換して前記負荷への電力として供給するように、前記電源変換装置を制御する前記制御信号を出力する第(e)ステップと、を有する。
本発明に係る直流交流変換システムおよびその制御方法によれば、DAインバータ回路におけるパワースイッチのスイッチング損失を減らし、直流交流変換の変換効率を向上できる。
従来技術の二段構成のインバータの電気回路を示す図である。 本発明の交流出力電圧および外部基準電圧の電圧関係を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。 本発明の混合型直流交流変換システムの制御フローチャートである。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下の図面および実施形態は本発明を説明するためのものであって、これにより本発明の技術的範囲を限定するものではない。
<混合型直流交流システムの実施形態1>
図3Aは、本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。
本実施形態の混合型直流交流変換システムは、第1直流入力電圧Vdc1を供給する第1直流電源10と、電圧値が第1直流入力電圧Vdc1よりも大きい第2直流入力電圧Vdc2を供給する第2直流電源20と、電源変換装置30と、比較ユニット60と、を備える。
第1直流電源10の正極および負極は、それぞれ第1バイパスコンデンサC1の両端に接続され、第1直流入力電圧Vdc1の大きさを維持する。
第2直流電源20の正極および負極は、それぞれ第2バイパスコンデンサC2の両端に接続され、第2直流入力電圧Vdc2の大きさを維持する。
電源変換装置30は、第1直流電源10および第2直流電源20と並列に接続する。電源変換装置30は、第1パワースイッチS1および当該第1パワースイッチS1と並列に接続する第1ダイオードD1と、第2パワースイッチS2および当該第2パワースイッチS2と並列に接続する第2ダイオードD2と、第3パワースイッチS3および当該第3パワースイッチS3と並列に接続する第3ダイオードD3と、第4パワースイッチS4および当該第4パワースイッチS4と並列に接続する第4ダイオードD4と、第5パワースイッチS5および当該第5パワースイッチS5と並列に接続する第5ダイオードD5と、第6パワースイッチS6および当該第6パワースイッチS6と並列に接続する第6ダイオードD6と、第7パワースイッチS7および当該第7パワースイッチS7と並列に接続する第7ダイオードD7と、第8パワースイッチS8および当該第8パワースイッチS8と並列に接続する第8ダイオードD8と、第9ダイオードD9と、を備える。
図3Aに示すように、第3パワースイッチS3は、第2パワースイッチS2に直列に接続する。さらに、第2パワースイッチS2は、第1パワースイッチS1に直列に接続して、第1経路を形成する。また、第2パワースイッチS2と第3パワースイッチS3の接続部を第2出力端O2とする。
第5パワースイッチS5を第4パワースイッチS4に直列に接続する。第5ダイオードD5の陽極と、第3ダイオードD3の陽極と、第1直流電源10の負極と、第2直流電源20の負極と、を接続する。
第6パワースイッチS6を第1ダイオードD1の陽極と第4ダイオードD4の陽極の間に接続し、第6パワースイッチS6と第4パワースイッチS4の接続部を第1出力端O1とする。そして、第1出力端O1および第2出力端O2により交流出力電圧Vを出力する。
第7ダイオードD7の陽極を第6ダイオードD6の陰極に接続し、第7パワースイッチS7を第2パワースイッチS2に直列に接続し、さらに第2パワースイッチS2を第3パワースイッチS3に直列に接続して、第2経路を形成し、当該第2経路を第2直流電源20に並列に接続する。
第8ダイオードD8の陽極と第6ダイオードD6の陽極を接続し、第8ダイオードD8の陰極と、第7ダイオードD7の陰極と、第2直流電源20の正極と、を接続する。
第9ダイオードD9の陰極と、第1ダイオードD1の陰極と、第4ダイオードD4の陰極と、を接続し、第9ダイオードD9の陽極を第1直流電源10の正極に接続して、第1経路が第9ダイオードD9を通じて、第1直流電源10に並列に接続する。
上述した電源変換装置30の回路トポロジーにより、第1直流入力電圧Vdc1または第2直流入力電圧Vdc2を直流交流変換して、負荷50への電力として供給する。
比較ユニット60には、交流出力電圧Vおよび外部基準電圧Vrefが入力される。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下である場合、比較ユニット60は、第1直流入力電圧Vdc1を交流出力電圧Vに変換して負荷50への電力として供給するように、電源変換装置30を制御する制御信号Sを出力する。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きい場合、比較ユニット60は、第2直流入力電圧Vdc2を交流出力電圧Vに変換して負荷50への電力として供給するように、電源変換装置30を制御する制御信号Sを出力する。
以下、図2を参照しながら、交流出力電圧Vの絶対値の大きさと外部基準電圧Vrefを比較して、第1直流入力電圧Vdc1または第2直流入力電圧Vdc2を負荷50への電力として供給することについて、説明する。
図2は、本発明の交流出力電圧Vと外部基準電圧Vrefの電圧関係を示す図である。図に示すように、電源変換装置30から出力する交流出力電圧Vは、正弦波交流電圧である。なお、図面中の点線部分は、交流出力電圧Vの絶対値|V|の波形である。
交流出力電圧Vの絶対値の大きさが外部基準電圧Vref以下であることは、すなわち、正の半周期では、交流出力電圧Vの値が外部基準電圧Vref以下で、負の反周期では、交流出力電圧Vの値が負の外部基準電圧Vref以上であることをいう。同様に、交流出力電圧Vの絶対値の大きさが外部基準電圧Vrefより大きいことは、すなわち、正の半周期では、交流出力電圧Vの値が外部基準電圧Vrefより大きく、負の半周期では、交流出力電圧Vの値が負の外部基準電圧Vrefより小さいことをいう。
図に示すように、正、負の半周期からなる一周期において、時刻tp0〜時刻tp1、時刻tp2〜時刻tn0、時刻tn0〜時刻tn1、時刻tn2〜時刻tp0の区間では、交流出力電圧Vの値が外部基準電圧Vref以下である。一方、時刻tp1〜時刻tp2、時刻tn1〜時刻tn2の区間では、交流出力電圧Vの値が外部基準電圧Vrefより大きい。なお、外部基準電圧Vrefは実使用状況の必要に応じて、調整しながら設定することができる。
以上のように、本実施形態の混合型直流交流交換システムは、電源変換装置30から出力する交流出力電圧Vを外部基準電圧Vrefと比較する。そして、交流出力電圧Vに比べて、負荷50の必要な負荷電圧が小さい場合、混合型直流交流変換システムは、電源変換装置30により、比較的定格電圧の小さい第1直流入力電圧Vdc1を交流出力電圧Vに変換する。これにより、電源変換装置30のパワースイッチの切替えによるスイッチング損失を減らす。正、負の半周期ともに比較的高い電圧で継続に電力を供給しないため、全体の直流交流変換の変換効率を大幅に向上できる。
本実施形態の混合型直流交流変換システムは、第1出力端O1および第2出力端O2と、負荷50との間に接続し、第1コイルL1、第2コイルL2およびコンデンサCoを含むフィルタ40をさらに備える。
図3Aに示すように、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第1直流入力電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L11回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L12回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがプラスである場合、第1直流電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する電流回路は、L11回路で示したように、順番に第1直流電源10、第9ダイオードD9、第4パワースイッチS4、第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第3パワースイッチS3を経由して、再び第1直流電源10戻る。交流出力電圧Vがプラスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L12回路に示したように、順番に第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第2ダイオードD2、第6パワースイッチS6を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
図3Bは、本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第1直流入力電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L21回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L22回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがマイナスである場合、第1直流電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する電流回路は、L21回路に示したように、順番に第1直流電源10、第9ダイオードD9、第1パワースイッチS1、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50、第1コイルL1、第5パワースイッチS5を経由して、再び第1直流電源10戻る。交流出力電圧Vがマイナスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L22回路に示したように、順番に第1コイルL1、第6ダイオードD6、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
図4Aは、本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きくて、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第2直流入力電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L31回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きくて、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L32回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがプラスである場合、第2直流電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する電流回路は、L31回路で示したように、順番に第2直流電源20、第8パワースイッチS8、第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第3パワースイッチS3を経由して、再び第2直流電源20戻る。交流出力電圧Vがプラスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L32回路に示したように、順番に第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第3パワースイッチS3、第9ダイオードD9、第4パワースイッチS4を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
図4Bは、本発明の混合型直流交流変換システムの第1実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きく、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第2直流入力電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L41回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きく、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L42回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがマイナスである場合、第2直流電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する電流回路は、L41回路に示したように、順番に第2直流電源20、第7パワースイッチS7、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50、第1コイルL1、第5パワースイッチS5を経由して、再び第2直流電源20戻る。交流出力電圧Vがマイナスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L42回路に示したように、順番に第1コイルL1、第5パワースイッチS5、第9ダイオードD9、第1パワースイッチS1、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
ここで、本実施形態の混合型直流交流変換システムにおいて、第2直流入力電圧Vdc2は、第1直流入力電圧Vdc1をブーストコンバータ(boost converter)により昇圧して生成できる。そこで、上述の二つの直流入力電圧を電力として供給するものと、同じ効果が得られる。
<混合型直流交流システムの実施形態2>
図5Aは、本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。図3Aに示す実施形態との最大の差異は、図5Aに示す実施形態において、第2直流入力電圧Vdc2は、昇圧変換装置70により第1直流入力電圧Vdc1を昇圧して生成するところである。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第1直流入力電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L51回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L52回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがプラスである場合、第1直流電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する電流回路は、L51回路で示したように、順番に第1直流電源10、第9ダイオードD9、第4パワースイッチS4、第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第3パワースイッチS3を経由して、再び第1直流電源10戻る。交流出力電圧Vがプラスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L52回路に示したように、順番に第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第2ダイオードD2、第6パワースイッチS6を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
図5Bは、本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第1直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。図3Bに示す実施形態との最大の差異は、図5Bに示す実施形態において、第2直流入力電圧Vdc2は、昇圧変換装置70により第1直流入力電圧Vdc1を昇圧して生成するところである。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第1直流入力電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L61回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vref以下であって、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L62回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがマイナスである場合、第1直流電圧Vdc1を負荷50への電力として供給する電流回路は、L61回路に示したように、順番に第1直流電源10、第9ダイオードD9、第1パワースイッチS1、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50、第1コイルL1、第5パワースイッチS5を経由して、再び第1直流電源10戻る。交流出力電圧Vがマイナスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L62回路に示したように、順番に第1コイルL1、第6ダイオードD6、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
図6Aは、本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がプラスである場合の電気回路を示す図である。図4Aに示す実施形態との最大の差異は、図6Aに示す実施形態において、第2直流入力電圧Vdc2は、昇圧変換装置70により第1直流入力電圧Vdc1を昇圧して生成するところである。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きくて、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第2直流入力電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L71回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きくて、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L72回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがプラスである場合、第2直流電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する電流回路は、L71回路で示したように、順番に第2直流電源20、第8パワースイッチS8、第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第3パワースイッチS3を経由して、再び第2直流電源20戻る。交流出力電圧Vがプラスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L72回路に示したように、順番に第1コイルL1、負荷50、第2コイルL2、第3パワースイッチS3、第9ダイオードD9、第4パワースイッチS4を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
図6Bは、本発明の混合型直流交流変換システムの第2実施形態であって、第2直流入力電圧を電力として供給し、かつ交流出力電圧がマイナスである場合の電気回路を示す図である。図4Bに示す実施形態との最大の差異は、図6Bに示す実施形態において、第2直流入力電圧Vdc2は、昇圧変換装置70により第1直流入力電圧Vdc1を昇圧して生成するところである。
交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きく、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が充電動作期間である場合、第2直流入力電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の充電動作期間中の電流回路を、L81回路で示す。一方、交流出力電圧Vの絶対値が外部基準電圧Vrefより大きく、フィルタ40の第1コイルL1と第2コイルL2が放電動作期間である場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する。電源変換装置30の放電動作期間中の電流回路を、L82回路で示す。すなわち、交流出力電圧Vがマイナスである場合、第2直流電圧Vdc2を負荷50への電力として供給する電流回路は、L81回路に示したように、順番に第2直流電源20、第7パワースイッチS7、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50、第1コイルL1、第5パワースイッチS5を経由して、再び第2直流電源20戻る。交流出力電圧Vがマイナスである場合、第1コイルL1および第2コイルL2の充電電圧を負荷50への電力として供給する電流回路は、L82回路に示したように、順番に第1コイルL1、第5パワースイッチS5、第9ダイオードD9、第1パワースイッチS1、第2パワースイッチS2、第2コイルL2、負荷50を経由して、再び第1コイルL1に戻る。
<混合型直流交流システムの制御方法の実施形態>
図7は、本発明の混合型直流交流変換システムの制御フローチャートである。本発明の混合型直流交流変換システムの制御方法は、以下のステップを有する。
(ステップS100)
第1直流電源から第1直流入力電圧を供給し、第2直流電源から電圧値が第1直流入力電圧よりも大きい第2直流入力電圧を供給するステップS100を有する。
(ステップS200)
第1直流電源および第2直流電源と並列に接続する電源変換装置により、第1直流入力電圧または第2直流入力電圧を交流出力電圧に変換するステップS200を有する。
電源変換装置は、第1パワースイッチおよび当該第1パワースイッチと並列に接続する第1ダイオードと、第2パワースイッチおよび当該第2パワースイッチと並列に接続する第2ダイオードと、第3パワースイッチおよび当該第3パワースイッチと並列に接続する第3ダイオードと、第4パワースイッチおよび当該第4パワースイッチと並列に接続する第4ダイオードと、第5パワースイッチおよび当該第5パワースイッチと並列に接続する第5ダイオードと、第6パワースイッチおよび当該第6パワースイッチと並列に接続する第6ダイオードと、第7パワースイッチおよび当該第7パワースイッチと並列に接続する第7ダイオードと、第8パワースイッチおよび当該第8パワースイッチと並列に接続する第8ダイオードと、第9ダイオードと、を備える。
第3パワースイッチは、第2パワースイッチに直列に接続する。さらに、第2パワースイッチは、第1パワースイッチに直列に接続して、第1経路を形成する。また、第2パワースイッチと第3パワースイッチの接続部を第2出力端とする。
第5パワースイッチを第4パワースイッチに直列に接続する。第5ダイオードの陽極と、第3ダイオードの陽極と、第1直流電源の負極と、第2直流電源の負極と、を接続する。
第6パワースイッチを第1ダイオードの陽極と第4ダイオードの陽極の間に接続し、第6パワースイッチと第4パワースイッチの接続部を第1出力端とする。そして、第1出力端および第2出力端により交流出力電圧を出力する。
第7ダイオードの陽極を第6ダイオードの陰極に接続し、第7パワースイッチを第2パワースイッチに直列に接続し、さらに第2パワースイッチを第3パワースイッチに直列に接続して第2経路を形成し、当該第2経路を第2直流電源に並列に接続する。
第8ダイオードの陽極と第6ダイオードの陽極を接続し、第8ダイオードの陰極と、第7ダイオードの陰極と、第2直流電源の正極と、を接続する。
第9ダイオードの陰極と、第1ダイオードの陰極と、第4ダイオードの陰極とを接続し、第9ダイオードの陽極を第1直流電源の正極に接続して、第1経路が第9ダイオードを通じて、第1直流電源に並列に接続する。
上述した電源変換装置の回路トポロジーにより、第1直流入力電圧または第2直流入力電圧を直流交流変換して、負荷への電力として供給する。
本発明の混合型直流交流変換システムは、第1出力端および第2出力端と、負荷との間に接続し、第1コイル、第2コイルおよびコンデンサを含むフィルタをさらに備える。
ここで、本発明の混合型直流交流変換システムにおいて、第2直流入力電圧は、第1直流入力電圧をブーストコンバータ(boost converter)により昇圧して生成できる。そこで、上述の二つの直流入力電圧を電力として供給するものと、同じ効果が得られる。
(ステップS300)
比較ユニットに交流出力電圧および外部基準電圧が入力されるステップS300を有する。
(ステップS400)
交流出力電圧の絶対値が外部基準電圧以下である場合、比較ユニットは、第1直流入力電圧を交流出力電圧に変換して、負荷への電力として供給するように、電源変換装置を制御する制御信号を出力するステップS400を有する。
(ステップS500)
交流出力電圧の絶対値が外部基準電圧より大きい場合、比較ユニットは、第2直流入力電圧を交流出力電圧に変換して、負荷への電力として供給するように、電源変換装置を制御する制御信号を出力するステップS500を有する。
本発明の混合型直流交流交換システムの制御方法は、電源変換装置から出力する交流出力電圧を外部基準電圧と比較する。そして、交流出力電圧に比べて、負荷の必要な負荷電圧が小さい場合、混合型直流交流変換システムは、電源変換装置により、比較的定格電圧の小さい第1直流入力電圧を交流出力電圧に変換する。これにより、電源変換装置のパワースイッチの切替えによるスイッチング損失を減らす。正、負の半周期ともに比較的高い電圧で継続に電力を供給しないため、全体の直流交流変換の変換効率を大幅に向上できる。
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、種々の変化が可能である。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められ、本発明の技術的思想および技術的思想から変化されるあらゆる実施形態は、すべて本発明の技術的範囲に含まれる。任意の当業者が本発明に基づいて、容易に想到できる変化または改造もすべて本発明の特許請求の範囲に含まれる。
10 第1直流電源、
10A 直流変換器、
20 第2直流電源、
20A フルーブリッジインバータ、
30 電源変換装置、
30A フィルタ回路、
40 フィルタ、
40A 負荷、
50 負荷、
60 比較ユニット、
70 昇圧変換装置。

Claims (10)

  1. 第1直流入力電圧を供給する第1直流電源と、
    電圧値が前記第1直流入力電圧よりも大きい第2直流入力電圧を供給する第2直流電源と、
    前記第1直流電源および前記第2直流電源と並列に接続し、前記第1直流入力電圧または前記第2直流入力電圧を交流出力電圧に変換して、負荷への電力として供給する電源変換装置と、
    前記交流出力電圧および外部基準電圧が入力される比較ユニットと、
    を備え、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下である場合、前記比較ユニットは、前記第1直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換するように、前記電源変換装置を制御する制御信号を出力し、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きい場合、前記比較ユニットは、前記第2直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換するように、前記電源変換装置を制御する前記制御信号を出力する混合型直流交流変換システム。
  2. 前記電源変換装置は、
    第1パワースイッチおよび当該第1パワースイッチと並列に接続する第1ダイオードと、
    第2パワースイッチおよび当該第2パワースイッチと並列に接続する第2ダイオードと、
    第3パワースイッチおよび当該第3パワースイッチと並列に接続する第3ダイオードと、
    第4パワースイッチおよび当該第4パワースイッチと並列に接続する第4ダイオードと、
    第5パワースイッチおよび当該第5パワースイッチと並列に接続する第5ダイオードと、
    第6パワースイッチおよび当該第6パワースイッチと並列に接続する第6ダイオードと、
    第7パワースイッチおよび当該第7パワースイッチと並列に接続する第7ダイオードと、
    第8パワースイッチおよび当該第8パワースイッチと並列に接続する第8ダイオードと、
    第9ダイオードと、
    を備え、
    前記第3パワースイッチを前記第2パワースイッチに直列に接続し、さらに前記第2パワースイッチを前記第1パワースイッチに直列に接続して、第1経路を形成し、前記第2パワースイッチと前記第3パワースイッチの接続部を第2出力端とし、
    前記第5パワースイッチを前記第4パワースイッチに直列に接続し、前記第5ダイオードの陽極と、前記第3ダイオードの陽極と、前記第1直流電源の負極と、前記第2直流電源の負極と、を接続し、
    前記第6パワースイッチを前記第1ダイオードの陽極と前記第4ダイオードの陽極の間に接続し、前記第6パワースイッチと前記第4パワースイッチの接続部を第1出力端とし、前記第1出力端および前記第2出力端により前記交流出力電圧を出力し、
    前記第7ダイオードの陽極を前記第6ダイオードの陰極に接続し、前記第7パワースイッチを前記第2パワースイッチに直列に接続し、さらに前記第2パワースイッチを前記第3パワースイッチに直列に接続して、第2経路を形成し、前記第2経路を前記第2直流電源に並列に接続し、
    前記第8ダイオードの陽極と前記第6ダイオードの陽極を接続し、前記第8ダイオードの陰極と、前記第7ダイオードの陰極と、前記第2直流電源の正極と、を接続し、
    前記第9ダイオードの陰極と、前記第1ダイオードの陰極と、前記第4ダイオードの陰極と、を接続し、前記第9ダイオードの陽極を前記第1直流電源の正極に接続して、前記第1経路が前記第9ダイオードを通じて、前記第1直流電源に並列に接続する、
    請求項1に記載の混合型直流交流変換システム。
  3. 前記第1出力端および前記第2出力端と、前記負荷との間に接続し、第1コイル、第2コイルおよびコンデンサを含むフィルタをさらに備え、
    前記第2直流入力電圧は、前記第1直流入力電圧をブーストコンバータにより昇圧して生成され、
    前記第1直流電源の正極と負極は、それぞれ第1バイパスコンデンサの両端に接続され、前記第1直流入力電圧の大きさを維持し、
    前記第2直流電源の正極と負極は、それぞれ第2バイパスコンデンサの両端に接続され、前記第2直流入力電圧の大きさを維持する、
    請求項2に記載の混合型直流交流変換システム。
  4. 前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下であって、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが充電動作期間である場合、前記第1直流入力電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第1直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1直流電源、前記第9ダイオード、前記第4パワースイッチ、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第3パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第1直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1直流電源、前記第9ダイオード、前記第1パワースイッチ、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷、前記第1コイル、前記第5パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下であって、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが放電動作期間である場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第2ダイオード、前記第6パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記第6ダイオード、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷の順に接続して形成される、
    請求項3に記載の混合型直流交流変換システム。
  5. 前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きくて、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが充電動作期間である場合、前記第2直流入力電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第2直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第2直流電源、前記第8パワースイッチ、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第3パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第2直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、第2直流電源、前記第7パワースイッチ、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷、前記第1コイル、前記第5パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きくて、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが放電動作期間である場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第3パワースイッチ、前記第9ダイオード、前記第4パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記第5パワースイッチ、前記第9ダイオード、前記第1パワースイッチ、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷の順に接続して形成される、
    請求項3に記載の混合型直流交流変換システム。
  6. 第1直流電源から第1直流入力電圧を供給し、第2直流電源から電圧値が前記第1直流入力電圧よりも大きい第2直流入力電圧を供給する第(a)ステップと、
    前記第1直流電源および前記第2直流電源と並列に接続する電源変換装置により、前記第1直流入力電圧または前記第2直流入力電圧を交流出力電圧に変換する第(b)ステップと、
    比較ユニットに前記交流出力電圧および外部基準電圧が入力される第(c)ステップと、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下である場合、前記比較ユニットは、前記第1直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換して、負荷への電力として供給するように、前記電源変換装置を制御する制御信号を出力する第(d)ステップと、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きい場合、前記比較ユニットは、前記第2直流入力電圧を前記交流出力電圧に変換して、前記負荷への電力として供給するように、前記電源変換装置を制御する前記制御信号を出力する第(e)ステップと、
    を有する混合型直流交流変換システムの制御方法。
  7. 前記電源変換装置は、
    第1パワースイッチおよび当該第1パワースイッチと並列に接続する第1ダイオードと、
    第2パワースイッチおよび当該第2パワースイッチと並列に接続する第2ダイオードと、
    第3パワースイッチおよび当該第3パワースイッチと並列に接続する第3ダイオードと、
    第4パワースイッチおよび当該第4パワースイッチと並列に接続する第4ダイオードと、
    第5パワースイッチおよび当該第5パワースイッチと並列に接続する第5ダイオードと、
    第6パワースイッチおよび当該第6パワースイッチと並列に接続する第6ダイオードと、
    第7パワースイッチおよび当該第7パワースイッチと並列に接続する第7ダイオードと、
    第8パワースイッチおよび当該第8パワースイッチと並列に接続する第8ダイオードと、
    第9ダイオードと、
    を備え、
    前記第3パワースイッチを前記第2パワースイッチに直列に接続し、さらに前記第2パワースイッチを前記第1パワースイッチに直列に接続して第1経路を形成し、前記第2パワースイッチと前記第3パワースイッチの接続部を第2出力端とし、
    前記第5パワースイッチを前記第4パワースイッチに直列に接続し、前記第5ダイオードの陽極と、前記第3ダイオードの陽極と、前記第1直流電源の負極と、前記第2直流電源の負極と、を接続し、
    前記第6パワースイッチを前記第1ダイオードの陽極と前記第4ダイオードの陽極の間に接続し、前記第6パワースイッチと前記第4パワースイッチの接続部を第1出力端とし、前記第1出力端および前記第2出力端により前記交流出力電圧を出力し、
    前記第7ダイオードの陽極を前記第6ダイオードの陰極に接続し、前記第7パワースイッチを前記第2パワースイッチに直列に接続し、さらに前記第2パワースイッチを前記第3パワースイッチに直列に接続して第2経路を形成し、前記第2経路を前記第2直流電源に並列に接続し、
    前記第8ダイオードの陽極と前記第6ダイオードの陽極を接続し、前記第8ダイオードの陰極と、前記第7ダイオードの陰極と、前記第2直流電源の正極と、を接続し、
    前記第9ダイオードの陰極と、前記第1ダイオードの陰極と、前記第4ダイオードの陰極とを接続し、前記第9ダイオードの陽極を前記第1直流電源の正極に接続して、前記第1経路が前記第9ダイオードを通じて、前記第1直流電源に並列に接続する、
    請求項6に記載の混合型直流交流変換システムの制御方法。
  8. 前記第1出力端および前記第2出力端と、前記負荷との間に接続し、第1コイル、第2コイルおよびコンデンサを含むフィルタをさらに備え、
    前記第2直流入力電圧は、前記第1直流入力電圧をブーストコンバータにより昇圧して生成され、
    前記第1直流電源の正極と負極を、それぞれ第1バイパスコンデンサの両端と接続して前記第1直流入力電圧の大きさを維持し、
    前記第2直流電源の正極と負極を、それぞれ第2バイパスコンデンサの両端と接続して前記第2直流入力電圧の大きさを維持する、
    請求項7に記載の混合型直流交流変換システムの制御方法。
  9. 前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下であって、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが充電動作期間である場合、前記第1直流入力電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第1直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1直流電源、前記第9ダイオード、前記第4パワースイッチ、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第3パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第1直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1直流電源、前記第9ダイオード、前記第1パワースイッチ、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷、前記第1コイル、前記第5パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧以下であって、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが放電動作期間である場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第2ダイオード、前記第6パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記第6ダイオード、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷の順に接続して形成される、
    請求項8に記載の混合型直流交流変換システムの制御方法。
  10. 前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きくて、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが充電動作期間である場合、前記第2直流入力電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第2直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第2直流電源、前記第8パワースイッチ、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第3パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第2直流電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、第2直流電源、前記第7パワースイッチ、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷、前記第1コイル、前記第5パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧の絶対値が前記外部基準電圧より大きくて、前記フィルタの前記第1コイルと前記第2コイルが放電動作期間である場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給し、
    前記交流出力電圧がプラスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記負荷、前記第2コイル、前記第3パワースイッチ、前記第9ダイオード、前記第4パワースイッチの順に接続して形成され、
    前記交流出力電圧がマイナスである場合、前記第1コイルおよび前記第2コイルの充電電圧を前記負荷への電力として供給する電流回路は、前記第1コイル、前記第5パワースイッチ、前記第9ダイオード、前記第1パワースイッチ、前記第2パワースイッチ、前記第2コイル、前記負荷の順に接続して形成される、
    請求項8に記載の混合型直流交流変換システムの制御方法。
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