JP2015208060A - 電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁された電源を1次側の変換装置から2次側の制御回路に供給するための部品にかかるコストを低減する。【解決手段】実施形態における電力変換装置は、変圧器の1次巻線に接続される1次側直交変換装置、変圧器の2次巻線に接続される2次側変換装置、1次巻線との間で変圧を行なうための変圧器の3次巻線に接続されて1次巻線と3次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置、および交直変換装置により変換された電力を受けて2次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路をもつ。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換方法に関する。
電力変換装置では、1次側の変換装置と2次側の変換装置とが変圧器によって絶縁される。この2次側の変換装置により変換される電力を制御するための2次側制御回路に対して絶縁された電源を供給するために、例えば、1次側の変換装置の入力端を絶縁型のDC/ACコンバータ、絶縁型の電源ICや変圧器を介して2次側制御回路に接続して使用している。
特開2013−172530号公報
上記のように、1次側の変換装置から2次側制御回路に電源を供給するために、絶縁型のDC/ACコンバータ、電源IC、変圧器を設けると、部品点数の増加によるコスト増加が無視できない。
本発明が解決しようとする課題は、絶縁された電源を1次側の変換装置から2次側の制御回路に供給するための部品にかかるコストを低減することが可能な電力変換装置および電力変換方法を提供することである。
実施形態における電力変換装置は、変圧器の1次巻線に接続される1次側直交変換装置、変圧器の2次巻線に接続される2次側変換装置、1次巻線との間で変圧を行なうための変圧器の3次巻線に接続されて1次巻線と3次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置、および交直変換装置により変換された電力を受けて2次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路をもつ。
本発明によれば、絶縁された電源を1次側の変換装置から2次側の制御回路に供給するための部品にかかるコストを低減することができる。
第1の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図。 第2の実施形態における電力変換装置の1次側直交変換装置の構成例を示す図。 第2の実施形態における電力変換装置の1次側直交変換装置の構成の変形例を示す図。 第3の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図。 第4の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図。 第5の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図。
以下、実施形態について図面を用いて説明する。
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
第1の実施形態では、主の電力変換装置である1次側直交変換装置11と2次側変換装置12との間に電気絶縁する変圧器13が設けられる。
また、電源入力側の1次側直交変換装置11の前段の正側直流母線および負側直流母線の間に平滑コンデンサ14が設けられる。
また、変圧器13の2次側変換装置12側には1次側直交変換装置11側の1次巻線との間で変圧を行なうための2次巻線が設けられる。2次巻線には2次側変換装置12が接続され、この2次側変換装置12の出力側が電源出力側となる。
また、変圧器13の2次側変換装置12側には、2次巻線とは別に、1次巻線との間で変圧を行なうための3次巻線が設けられる。
この3次巻線には、1次巻線と3次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なうための交直変換装置15が接続される。この交直変換装置15は、整流回路、電流平滑用リアクトルおよび平滑用コンデンサを有する。交直変換装置15は、2次側変換装置12用の制御回路としての2次側制御回路16に接続される。この2次側制御回路16は、ゲートドライブ回路などを含む。
交直変換装置15は、変圧器13の1次巻線と3次巻線との間で変圧された電力を2次側制御回路16に供給する。2次側制御回路16は、交直変換装置15から供給された電力を受けて、2次側変換装置12が変換する電力を制御する。
このように、第1の実施形態では、1次側直交変換装置11から、変圧器13の1次巻線、3次巻線、および交直変換装置15を介して2次側制御回路16へ電源を供給することができる。このため、2次側制御回路16のための制御電源用の部品、例えば1次側直交変換装置11との間の絶縁回路や電源ICなどを別途設ける必要がなくなる。これにより、絶縁された電源を1次側直交変換装置11から2次側制御回路16へ供給するためのコストを低減することができる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における構成のうち第1の実施形態で説明した部分と同一部分の詳細な説明は省略する。
図2は、第2の実施形態における電力変換装置の1次側直交変換装置の構成例を示す図である。
図2に示した例では、1次側直交変換装置11は、フルブリッジ共振型の変換装置である。具体的には、1次側直交変換装置11は、電源入力側からみた正側直流母線および負側直流母線の間に2個の半導体スイッチング素子11aを直列接続して構成するブリッジを2組配置した回路を有する。1組目の正側のスイッチング素子11aと負側のスイッチング素子11aとの間の接続点は共振コンデンサ11bを介して変圧器13の1次巻線に接続される。また、2組目の正側のスイッチング素子11aと負側のスイッチング素子11aとの間の接続点は共振コンデンサ11bを介さずに変圧器13の1次巻線に接続される。
前述したように、第1の実施形態では制御電源用の交直変換装置15は電流平滑用リアクトルを有する。一方、第2の実施形態では、1次側直交変換装置11を共振型の変換装置としているので、制御電源用の交直変換装置15は電流平滑用リアクトルが不要である。
図3は、第2の実施形態における電力変換装置の1次側直交変換装置の構成の変形例を示す図である。
図3に示した例では、1次側直交変換装置11は、ハーフブリッジ共振型の変換装置である。具体的には、1次側直交変換装置11は、電源入力側からみた正側直流母線および負側直流母線の間に2個の半導体スイッチング素子11cを直列接続して構成するブリッジを1組配置し、かつ、正側直流母線および負側直流母線の間に2個の共振コンデンサ11dを直列接続して構成した回路を有する。
正側のスイッチング素子11cと負側のスイッチング素子11cとの間の接続点、および2個の共振コンデンサ11bの間の接続点は変圧器13の1次巻線に接続される。図2に示した構成と同様に、図3に示した構成では、制御電源用の交直変換装置15は電流平滑用リアクトルを設ける必要がない。
図2や図3に示した構成では、制御電源用の交直変換装置15に電流平滑用リアクトルを設ける必要がないので、第1の実施形態と比較して制御電源用の回路の部品点数をさらに削減することができ、コストをさらに低減することができる。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。
図4は、第3の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。第3の実施形態では、絶縁された複数種類の制御電源を2次側制御回路16へ供給する回路を備える。
第1の実施形態では、電源入力側からみた絶縁された制御電源が1つであるが、第3の実施形態では、絶縁された制御電源を複数設けて、複数種類の電圧の制御電源を発生させる。
図4に示した例では、変圧器13に3次巻線を3つ設け、それぞれの3次巻線用の交直変換装置15および2次側制御回路16を設ける構成としている。
1つ目の交直変換装置15は、所定の第1の電圧による電力を対応する2次側制御回路16に供給する。2つ目の交直変換装置15は、所定の第2の電圧による電力を対応する2次側制御回路16に供給する。3つ目の交直変換装置15は、所定の第3の電圧による電力を対応する2次側制御回路16に供給する。所定の第1ないし第3の電圧はそれぞれ異なっていてもよい。
1つ目の2次側制御回路16は、1つ目の交直変換装置15からの第1の電圧による電力の供給を受けて、2次側変換装置12における第1の電圧に応じて変換する電力の制御を行なう。同様に、2つ目の2次側制御回路16は、2つ目の交直変換装置15からの第2の電圧による電力の供給を受けて、2次側変換装置12における第2の電圧に応じて変換する電力の制御を行なう。同様に、3つ目の2次側制御回路16は、3つ目の交直変換装置15からの第3の電圧による電力の供給を受けて、2次側変換装置12における第3の電圧に応じて変換する電力の制御を行なう。
本実施形態においては、変圧器13に3次巻線を複数設ける構成としている。この構成では、2次側制御回路16において複数の電源ICを設けることなく複数種類の電圧の制御電源を2次側制御回路16に供給することができる。このため、複数種類の電圧の制御電源を2次側制御回路16に供給するためのコストを低減することができる。
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。
図5は、第4の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
第4の実施形態では、共振型の1次側直交変換装置11の入力側の平滑コンデンサ14の前段に1次側直交変換装置11の直流電圧を調整するための電圧調整回路21を備える。また、この実施形態では、電圧調整回路21を制御するための制御回路22が設けられる。制御回路22は、平滑コンデンサ14に流れる電流を検出し、この検出した電流に基づいて電圧調整回路21を制御する事で、1次側直交変換装置11の入力側の直流電圧の定電圧制御を行なう。
また、制御回路22により制御される電圧値は任意に設定される。設定される電圧値は、例えばアナログ回路に使用される15V、24V、30V(±15V)などである。
このような構成とすることで、1次側直交変換装置11にかかる直流電圧の調整を行なうことができるので、2次側制御回路16へ供給される電源電圧の調整と2次側変換装置12の電圧の調整とを1つの回路で実現することができる。よって、交直変換装置15や2次側変換装置12にかかる電圧調整回路が不要となり、部品点数を削減することができるため、コストを低減することができる。
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。
図6は、第5の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、1次側直交変換装置11の入力側の電源は、太陽光発電素子などの、変動成分を有する電流源31である。さらに、本実施形態では、変圧器13からみた1次側に1次側制御回路32、絶縁回路33を備える。
1次側制御回路32は、1次側直交変換装置11の入力側の電圧を検出し、この検出された電圧に基づいて、1次側直交変換装置11の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する。この直流電圧は太陽光発電素子などの特性に合わせ、最大電力が発電できる所定値に制御される。この構成により、1次側直交変換装置11の制御を簡易化(オープンループ制御など)することができる。
また、2次側制御回路16は、1次側直交変換装置11の前段の平滑コンデンサ14に流れる電流を絶縁回路33を介して検出する。2次側制御回路16は、この検出した電流に基づいて、2次側変換装置12が変換する電力を制御する。これにより、1次側から2次側にかけて予期しない外乱が生じても2次側変換装置12が変換する電力を適切に制御することができる。
このように、第5の実施形態では、1次側直交変換装置11や2次側変換装置12の適切な制御のための回路の部品点数を削減することができる。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
11…1次側直交変換装置、12…2次側変換装置、13…変圧器、14…平滑コンデンサ、15…交直変換装置、16…2次側制御回路、21…電圧調整回路、22…制御回路、31…電流源、32…1次側制御回路、33…絶縁回路。

Claims (6)

  1. 変圧器の1次巻線に接続される1次側直交変換装置と、
    前記変圧器の2次巻線に接続される2次側変換装置と、
    前記1次巻線との間で変圧を行なうための前記変圧器の3次巻線に接続されて前記1次巻線と前記3次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置と、
    前記交直変換装置により変換された電力を受けて前記2次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記1次側直交変換装置は、共振型変換器である
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記3次巻線が複数設けられ、
    前記交直変換装置は、前記複数の3次巻線のそれぞれに対して個別の電圧による交直変換を行なう
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  4. 前記1次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて前記1次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する電圧調整回路をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
  5. 前記1次側直交変換装置の入力側の電圧に基づいて1次側直交変換装置の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する1次側制御回路をさらに備え、
    前記交直変換装置により変換された電力を受けて前記2次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路は、前記1次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて、前記2次側変換装置により変換する電力を制御する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  6. 変圧器の1次巻線に接続される1次側直交変換装置、および前記変圧器の2次巻線に接続される2次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、
    前記変圧器の前記1次巻線との間で変圧を行なうための3次巻線に接続されて前記1次巻線と前記3次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、前記変換された電力を受けて前記2次側変換装置により変換する電力を制御する
    ことを特徴とする電力変換方法。
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