JP2016059132A - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly efficient power conversion device with high output density.SOLUTION: There is provided a power conversion device including an inverter unit, a filter unit, an initial stage charge unit, a switchover unit and a control circuit. The inverter unit includes a plurality of legs having a plurality of switching elements and a flying capacitor by which DC power supplied from a DC power supply is converted into AC power. The filter unit suppresses a harmonic component. The initial stage charge unit makes a current flow in a predetermined period after initiating the DC power supply. The switchover unit, after a lapse of the predetermined period, changes in a manner that a current which flows through the initial stage charge unit flows through a load. The control circuit determines a start and a lapse of the predetermined period, to switch between a current path which flows through the initial stage charge unit and a current path which flows through the load.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a power conversion apparatus.

出力電圧を多段に変化させることにより、出力電圧の高調波成分を抑制したマルチレベルの電力変換装置がある。マルチレベルの電力変換装置では、出力波形を正弦波に近づけるためのフィルタを小型にすることができ、また、低耐圧のスイッチング素子を用いることができるため、装置全体として高出力密度化を実現することができる。こうした電力変換装置において、さらなる高効率化が望まれる。   There is a multi-level power converter that suppresses harmonic components of the output voltage by changing the output voltage in multiple stages. In a multi-level power conversion device, a filter for approximating the output waveform to a sine wave can be reduced in size, and a switching element having a low withstand voltage can be used, so that high output density can be realized as a whole device. be able to. In such a power conversion device, higher efficiency is desired.

特開2008−92651号公報JP 2008-92651 A

本発明の実施形態は、高出力密度で高効率な電力変換装置を提供する。   Embodiments of the present invention provide a power converter with high power density and high efficiency.

本発明の実施形態によれば、インバータ部と、フィルタ部と、初期充電部と、切替部と、制御回路と、を備える電力変換装置を提供する。インバータ部は、前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する。インバータ部は、前記直流電源の高電位側の出力端子に接続される第1入力端子と、前記直流電源の低電位側の出力に接続される第2入力端子と、前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に接続される複数のレグと、を含む。前記複数のレグのそれぞれは、前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に接続された第1上側スイッチング素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記第1入力端子との間に接続された第2上側スイッチング素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記第2入力端子との間に接続された第1下側スイッチング素子と、前記第1下側スイッチング素子と前記第2入力端子との間に接続された第2下側スイッチング素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記第2上側スイッチング素子との間に接続された一端と、前記第1下側スイッチング素子と前記第2下側スイッチング素子との間に接続された他端と、を有する電荷蓄積素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記第1下側スイッチング素子との間に接続される出力端子と、を含む。フィルタ部は、前記出力端子と前記負荷との間に接続され、前記交流電力の高調波成分が抑制された交流電力を出力する。初期充電部は、前記負荷と並列に接続され、前記直流電源が起動した後、所定の期間では、前記電荷蓄積素子を充電する。切替部は、前記出力と前記負荷との間で、前記フィルタ部と直列に接続され、前記所定の期間の経過の後に、前記初期充電部に流れる電流の経路を切断し、前記負荷に電流を流す。制御回路は、前記所定の期間の開始または経過を判断して、前記初期充電部に流れる電流の経路と前記負荷に流れる電流の経路とを切り替えるとともに、前記複数のレグごとに設定される複数の変調波と、前記風数のレグの前記第1上側スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のそれぞれに設定される複数のキャリア信号と、を基に、前記第1上側スイッチング素子、前記第2上側スイッチング素子、前記第1下側スイッチング素子および前記第2下側スイッチング素子のオン・オフを制御する。   According to the embodiment of the present invention, a power conversion device including an inverter unit, a filter unit, an initial charging unit, a switching unit, and a control circuit is provided. The inverter unit converts DC power supplied from the DC power source into AC power. The inverter unit includes: a first input terminal connected to an output terminal on the high potential side of the DC power supply; a second input terminal connected to an output on the low potential side of the DC power supply; the first input terminal; A plurality of legs connected to the second input terminal. Each of the plurality of legs is connected between a first upper switching element connected between the first input terminal and the second input terminal, and between the first upper switching element and the first input terminal. A second upper switching element, a first lower switching element connected between the first upper switching element and the second input terminal, the first lower switching element and the second input terminal, A second lower switching element connected between, one end connected between the first upper switching element and the second upper switching element, the first lower switching element and the second lower side A charge storage device having a second end connected between the switching device and an output terminal connected between the first upper switching device and the first lower switching device. No. The filter unit is connected between the output terminal and the load, and outputs AC power in which harmonic components of the AC power are suppressed. The initial charging unit is connected in parallel with the load, and charges the charge storage element for a predetermined period after the DC power supply is activated. The switching unit is connected in series with the filter unit between the output and the load, cuts off a path of a current flowing through the initial charging unit after the lapse of the predetermined period, and supplies a current to the load. Shed. The control circuit determines the start or elapse of the predetermined period, switches between a current path flowing through the initial charging unit and a current path flowing through the load, and a plurality of sets set for each of the plurality of legs. Based on the modulated wave and a plurality of carrier signals set in each of the first upper switching element and the second switching element of the wind number leg, the first upper switching element and the second upper switching element ON / OFF of the element, the first lower switching element, and the second lower switching element is controlled.

第1の実施形態に係る電力変換装置の構成例を模式的に表すブロック図である。It is a block diagram showing typically the example of composition of the power converter concerning a 1st embodiment. 図2(a)は、第1の実施形態に係る電力変換装置の切替部および初期充電部の構成の具体例を模式的に表すブロック図である。図2(b)は、第1の実施形態に係る電力変換装置の変形例の構成を模式的に表すブロック図である。FIG. 2A is a block diagram schematically illustrating a specific example of the configuration of the switching unit and the initial charging unit of the power conversion device according to the first embodiment. FIG. 2B is a block diagram schematically illustrating a configuration of a modification of the power conversion device according to the first embodiment. 図3(a)〜図3(d)は、第1の実施形態に係る電力変換装置の定常運転の状態での制御回路の動作を模式的に表す動作波形例のタイミング図である。FIG. 3A to FIG. 3D are timing diagrams of operation waveform examples schematically showing the operation of the control circuit in the steady operation state of the power conversion device according to the first embodiment. 図4(a)〜図4(c)は、第1の実施形態に係る電力変換装置の起動状態から定常状態に遷移する場合の動作を模式的に表す動作波形例のタイミング図である。FIG. 4A to FIG. 4C are timing diagrams of operation waveform examples schematically representing an operation when the power conversion device according to the first embodiment transitions from a startup state to a steady state. 第2の実施形態に係る電力変換装置の構成例を模式的に表すブロック図である。It is a block diagram showing typically the example of composition of the power converter concerning a 2nd embodiment. 第3の実施形態に係る電力変換装置の構成例を模式的に表すブロック図である。It is a block diagram showing typically the example of composition of the power converter concerning a 3rd embodiment.

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings. Further, in the present specification and each drawing, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with reference to the previous drawings, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

本願明細書において、電力変換装置が定常運転の状態または定常運転時とは、インバータ入力端子間に印加される入力電圧Vinが規定の入力電圧である状態をいう。規定の入力電圧は、電力変換装置の性能が保証される入力電圧であり、定格負荷電流を負荷に供給することができる定格入力電圧Vin(max)である。定常運転の状態では、インバータ部を構成する電荷蓄積素子に印加される電圧は、ほぼ一定の状態、すなわち定常状態である。また、電力変換装置が起動状態または起動時とは、DC−DCコンバータが起動し、インバータ部が動作し、電力変換装置が動作を開始した時点から、定常運転の状態に遷移するまでの期間をいうものとする。起動状態の初期では、インバータ部を構成する電荷蓄積素子が初期状態、すなわち印加される電圧が0Vまたはほぼ0Vの状態である。   In the present specification, the state where the power conversion device is in a steady operation or in a steady operation means a state in which the input voltage Vin applied between the inverter input terminals is a specified input voltage. The specified input voltage is an input voltage that guarantees the performance of the power converter, and is a rated input voltage Vin (max) that can supply a rated load current to the load. In the steady operation state, the voltage applied to the charge storage elements constituting the inverter unit is in a substantially constant state, that is, a steady state. In addition, the time when the power converter is in the starting state or when starting is the period from when the DC-DC converter is started, the inverter unit is operated, and the power converter starts operating to the transition to the steady operation state. It shall be said. In the initial stage of the start-up state, the charge storage elements constituting the inverter unit are in the initial state, that is, the applied voltage is 0V or almost 0V.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置の構成例を模式的に表すブロック図である。
図1に示すように、電力変換装置10は、入力に直流電源装置であるDC−DCコンバータ2の出力が接続される。電力変換装置10は、出力に負荷4が接続される。DC−DCコンバータ2は、入力が発電装置1に接続される。電力変換装置10は、例えば、コネクタなどを介してDC−DCコンバータ2および負荷4に着脱自在に接続される。なお、本願明細書において、「接続」には、直接接触して接続される場合の他に、他の導電性部材などを介して電気的に接続される場合も含むものとする。また、トランスなどを介して磁気的に結合している場合も、「接続」に含むものとする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration example of the power conversion device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the power converter 10 has an input connected to the output of a DC-DC converter 2 that is a DC power supply device. The power conversion device 10 has a load 4 connected to the output. The DC-DC converter 2 has an input connected to the power generator 1. The power conversion device 10 is detachably connected to the DC-DC converter 2 and the load 4 via, for example, a connector. In the specification of the present application, “connection” includes not only the case of being connected in direct contact but also the case of being electrically connected via another conductive member or the like. In addition, the case of magnetic coupling through a transformer or the like is also included in “connection”.

発電装置1は、例えば太陽電池パネルである。発電装置1は、太陽電池パネルのほか、燃料電池等のように直流電力を発電する装置であってもよい。また、発電装置1は、ガスタービンエンジンのように、発電された交流電力を整流して直流電力に変換したものであってもよい。発電装置1は、直流電力を供給可能な任意の電源でよく、DC−DCコンバータ2は、発電装置1の出力に適合するように回路方式を選択されればよい。   The power generator 1 is a solar cell panel, for example. The power generation device 1 may be a device that generates DC power, such as a fuel cell, in addition to a solar cell panel. Moreover, the electric power generating apparatus 1 may rectify | convert the generated alternating current power and converted into direct current power like a gas turbine engine. The power generation apparatus 1 may be any power source capable of supplying DC power, and the DC-DC converter 2 may be selected in a circuit system so as to match the output of the power generation apparatus 1.

DC−DCコンバータ2は、直流電力を電力変換装置10に供給する。DC−DCコンバータ2は、太陽電池パネルのような発電装置1から非安定な直流電力の供給を受けて、安定化された直流電力を出力する。DC−DCコンバータ2は、低い電圧を高い電圧に変換する昇圧回路であってもよく、高い電圧を低い電圧に変換する降圧回路であってもよい。また、発電装置1が発生する電圧の高低によらず、安定化された直流電圧を生成する昇降圧回路であってもよい。   The DC-DC converter 2 supplies direct-current power to the power conversion device 10. The DC-DC converter 2 receives the supply of non-stable DC power from the power generation device 1 such as a solar battery panel, and outputs stabilized DC power. The DC-DC converter 2 may be a step-up circuit that converts a low voltage into a high voltage, or may be a step-down circuit that converts a high voltage into a low voltage. Further, it may be a step-up / down circuit that generates a stabilized DC voltage regardless of the level of the voltage generated by the power generation device 1.

DC−DCコンバータ2は、電力変換装置10の入力端子と接続するための出力端子2a,2bを有する。DC−DCコンバータ2は、外部信号によって出力電圧を生成または出力するための動作を開始し、または動作の停止を制御するための制御信号入力端子2cを有する。制御信号入力端子2cは、例えば、2レベルの論理値に対応した電圧が入力される。制御信号入力端子2cが「1」レベル、すなわちハイレベルの電圧の入力信号が入力される場合には、DC−DCコンバータ2は、出力電圧を生成または出力する動作を行う。制御信号入力端子2cが「0」レベル、すなわちローレベルの電圧が入力される場合には、DC−DCコンバータ2は、出力電圧を生成または出力する動作を停止する。制御信号入力端子2cの論理値レベルと、DC−DCコンバータ2の動作の状態との対応は、上述の場合に限らない。すなわち、制御信号入力端子2cがローレベルの場合には、DC−DCコンバータ2の出力電圧を生成する動作を行い、制御信号入力端子2cがハイレベルの場合には、DC−DCコンバータ2の動作を停止するようにしてもよい。また、制御信号入力端子2cの入力レベルを複数に設定し、そのレベルごとに、DC−DCコンバータ2の出力電圧のレベルを設定したり、連続的な制御入力端子のレベルに対して、DC−DCコンバータ2の出力電圧を連続的に対応させるようにしてもよい。   The DC-DC converter 2 has output terminals 2 a and 2 b for connecting to the input terminal of the power conversion device 10. The DC-DC converter 2 has a control signal input terminal 2c for starting an operation for generating or outputting an output voltage by an external signal, or for controlling the stop of the operation. For example, a voltage corresponding to a two-level logic value is input to the control signal input terminal 2c. When the control signal input terminal 2c receives an input signal having a voltage of “1” level, that is, a high level, the DC-DC converter 2 performs an operation of generating or outputting an output voltage. When a voltage of “0” level, that is, a low level is input to the control signal input terminal 2c, the DC-DC converter 2 stops the operation of generating or outputting the output voltage. The correspondence between the logical value level of the control signal input terminal 2c and the operation state of the DC-DC converter 2 is not limited to the above case. That is, when the control signal input terminal 2c is at a low level, an operation for generating the output voltage of the DC-DC converter 2 is performed. When the control signal input terminal 2c is at a high level, the operation of the DC-DC converter 2 is performed. May be stopped. In addition, the input level of the control signal input terminal 2c is set to a plurality of levels, and the output voltage level of the DC-DC converter 2 is set for each level, or the DC− The output voltage of the DC converter 2 may be made to correspond continuously.

負荷4は、交流負荷である。負荷4は、例えば、交流電力の供給によって動作する電子機器などである。負荷4は、例えば、電力を需要家の受電設備に供給する送電線などの電力系統でもよい。   The load 4 is an AC load. The load 4 is, for example, an electronic device that operates by supplying AC power. The load 4 may be, for example, a power system such as a power transmission line that supplies power to a power receiving facility of a consumer.

電力変換装置10は、DC−DCコンバータ2から供給される直流電力を負荷4に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を負荷4に出力する。電力変換装置10は、有効電力を負荷4に出力する。電力変換装置10は、いわゆるパワーコンディショナである。電力変換装置10の出力する交流電力の電圧は、例えば、100V(実効値)または200V(実効値)である。電力変換装置10の出力する交流電力の周波数は、例えば、50Hzまたは60Hzである。   The power conversion device 10 converts the DC power supplied from the DC-DC converter 2 into AC power corresponding to the load 4, and outputs the converted AC power to the load 4. The power conversion device 10 outputs active power to the load 4. The power converter 10 is a so-called power conditioner. The voltage of the AC power output from the power conversion device 10 is, for example, 100 V (effective value) or 200 V (effective value). The frequency of the AC power output from the power converter 10 is, for example, 50 Hz or 60 Hz.

電力変換装置10は、主回路12と、制御回路14と、を備える。主回路12は、インバータ部21と、フィルタ部23と、切替部24と、初期充電部25と、を含む。   The power conversion device 10 includes a main circuit 12 and a control circuit 14. Main circuit 12 includes an inverter unit 21, a filter unit 23, a switching unit 24, and an initial charging unit 25.

インバータ部21は、DC−DCコンバータ2の出力に直列に接続される。フィルタ部23は、インバータ部21と負荷との間に直列に接続される。切替部24は、インバータ部21とフィルタ部23との間に直列に接続される。初期充電部25は、切替部24に接続されて、負荷4と並列に接続される。   The inverter unit 21 is connected in series to the output of the DC-DC converter 2. The filter unit 23 is connected in series between the inverter unit 21 and the load. The switching unit 24 is connected in series between the inverter unit 21 and the filter unit 23. The initial charging unit 25 is connected to the switching unit 24 and connected in parallel with the load 4.

インバータ部21は、発電装置1で生成される直流電力をDC−DCコンバータ2を介して供給される安定化された直流電圧を有する直流電力を、例えばそのキャリア周波数が数kHz〜数10kHz、すなわち等価キャリア周波数が数10kHz〜数100kHzの高周波の交流電力に変換する。   The inverter unit 21 converts the DC power generated by the power generation device 1 into DC power having a stabilized DC voltage supplied via the DC-DC converter 2, for example, having a carrier frequency of several kHz to several tens kHz. The equivalent carrier frequency is converted into a high-frequency AC power having a frequency of several tens to several hundreds of kHz.

フィルタ部23は、インバータ部21から出力された交流電力の高調波成分を抑制する。フィルタ部23は、例えば、インバータから出力された交流電力を正弦波に近づける、いわゆる正弦波フィルタである。フィルタ部23は、例えば、正弦波フィルタだけでなく、ノイズを除去するためのノイズフィルタ(EMIフィルタ)などを含んでもよい。   The filter unit 23 suppresses harmonic components of the AC power output from the inverter unit 21. The filter unit 23 is, for example, a so-called sine wave filter that approximates AC power output from the inverter to a sine wave. The filter unit 23 may include, for example, not only a sine wave filter but also a noise filter (EMI filter) for removing noise.

切替部24は、インバータ部21の出力21U,21Vとフィルタ部23との間に直列に接続される。切替部24は、負荷4と初期充電部25とを並列に接続する経路を含む。   The switching unit 24 is connected in series between the outputs 21 U and 21 V of the inverter unit 21 and the filter unit 23. Switching unit 24 includes a path for connecting load 4 and initial charging unit 25 in parallel.

切替部24は、電力変換装置10が定常運転の状態の場合には、インバータ部21の出力をフィルタ部23を介して負荷4に供給する。切替部24は、電力変換装置10が起動状態の場合には、インバータ部21の出力21U,21Vを、負荷4に流れる電流の経路から切り離し、初期充電部25を含む経路に接続する。電力変換装置10が起動状態から定常運転の状態に遷移した後に、切替部24は、インバータ部21から初期充電部25に流れる電流の経路を切断し、インバータ部21から負荷4に電流を流す。   The switching unit 24 supplies the output of the inverter unit 21 to the load 4 via the filter unit 23 when the power conversion device 10 is in a steady operation state. When the power conversion device 10 is in the activated state, the switching unit 24 disconnects the outputs 21U and 21V of the inverter unit 21 from the path of the current flowing through the load 4 and connects the path including the initial charging unit 25. After the power conversion device 10 transitions from the startup state to the steady operation state, the switching unit 24 cuts off the path of the current flowing from the inverter unit 21 to the initial charging unit 25 and causes the current to flow from the inverter unit 21 to the load 4.

図2(a)は、第1の実施形態に係る電力変換装置の切替部および初期充電部の構成の具体例を模式的に表すブロック図である。
図2(a)に示すように、切替部24は、スイッチ31a,31bと、スイッチ32a,32bと、を含む。スイッチ31a,31bは、初期充電部25と負荷4とが並列接続されるノード36と、負荷4と、の間に直列に接続される。スイッチ31a,31bは、例えばMOSFETである。スイッチ31a,31bが接続される経路には、交流電流が流れるため、スイッチ31a,31bは、双方向に流れる電流に対してオン・オフする必要がある。MOSFETのドレイン−ソース間には寄生的にダイオードが形成されているので、これらダイオードを通して電流が流れないように、スイッチ31a,31bは、それぞれのソース同士を接続される。スイッチ31a,31bは、それぞれのドレイン同士を接続されてもよい。スイッチ32a,32bは、初期充電部と負荷4とが並列に接続されるノード37と、初期充電部25と、の間に直列に接続される。スイッチ32a,32bは、スイッチ32a,32bが接続される経路には交流電流が流れるため、双方向に流れる電流に対してオン・オフする必要がある。スイッチ31a,31bと同様に、スイッチ32a,32bは、ソース同士またはドレイン同士をそれぞれ接続される。なお、スイッチ31a,31bおよびスイッチ32a,32bの代わりに電磁リレー等の機械式スイッチやトライアック等の双方向スイッチを用いる場合には、単一のスイッチを接続すればよい。
FIG. 2A is a block diagram schematically illustrating a specific example of the configuration of the switching unit and the initial charging unit of the power conversion device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2A, the switching unit 24 includes switches 31a and 31b and switches 32a and 32b. The switches 31 a and 31 b are connected in series between a node 36 to which the initial charging unit 25 and the load 4 are connected in parallel and the load 4. The switches 31a and 31b are, for example, MOSFETs. Since an alternating current flows through the path to which the switches 31a and 31b are connected, the switches 31a and 31b need to be turned on / off with respect to the current flowing in both directions. Since a diode is formed parasitically between the drain and source of the MOSFET, the switches 31a and 31b are connected to each other so that no current flows through these diodes. The switches 31a and 31b may have their drains connected to each other. The switches 32 a and 32 b are connected in series between the node 37 where the initial charging unit and the load 4 are connected in parallel and the initial charging unit 25. Since the alternating current flows through the path to which the switches 32a and 32b are connected, the switches 32a and 32b need to be turned on / off with respect to the current flowing in both directions. Similarly to the switches 31a and 31b, the switches 32a and 32b are connected to each other between sources or drains. When a mechanical switch such as an electromagnetic relay or a bidirectional switch such as a triac is used instead of the switches 31a and 31b and the switches 32a and 32b, a single switch may be connected.

切替部24は、図2(a)に示すように、インバータ部21の出力21U,21Vとフィルタ部23との間に接続される。   The switching unit 24 is connected between the outputs 21U and 21V of the inverter unit 21 and the filter unit 23 as shown in FIG.

図2(b)は、第1の実施形態の電力変換装置の変形例の構成を模式的に表すブロック図である。
図2(b)に示すように、切替部24は、インバータ部21の出力21U,21Vに接続されたフィルタ部23と負荷4との間に接続するようにしてもよい。切替部24をフィルタ部23と負荷4との間に接続することによって、フィルタ部23の前に切替部24を置く場合に比べて扱う電圧・電流に高周波スイッチング波形が含まれないので、実際の回路配置等が容易になるなどのメリットがある。
FIG. 2B is a block diagram schematically illustrating a configuration of a modified example of the power conversion device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2 (b), the switching unit 24 may be connected between the filter unit 23 connected to the outputs 21 U and 21 V of the inverter unit 21 and the load 4. By connecting the switching unit 24 between the filter unit 23 and the load 4, the voltage / current to be handled is not included in the voltage / current to be handled compared to the case where the switching unit 24 is placed in front of the filter unit 23. There are advantages such as easy circuit layout.

スイッチ31a,31bおよびスイッチ32a,32bの構成は、上述に限られない。切替部24は、負荷4と、初期充電部25とを、並列に接続し、制御回路14の指令にしたがって、負荷4を含む経路にするか、初期充電部25を含む経路にするか、を排他的に選択する。このように電流を流す経路のための回路構成は、本実施形態にすべて含まれる。例えば、スイッチ31a,31bは、ノード37と負荷4(またはフィルタ部)との間に直列に接続されてもよい。スイッチ32a,32bは、ノード36と初期充電部25との間に直列接続されてもよい。   The configurations of the switches 31a and 31b and the switches 32a and 32b are not limited to the above. The switching unit 24 connects the load 4 and the initial charging unit 25 in parallel, and determines whether the path includes the load 4 or the path including the initial charging unit 25 according to the command of the control circuit 14. Select exclusively. All of the circuit configurations for the current flow path are included in this embodiment. For example, the switches 31a and 31b may be connected in series between the node 37 and the load 4 (or the filter unit). The switches 32 a and 32 b may be connected in series between the node 36 and the initial charging unit 25.

また、図2(a)および図2(b)の構成例は、インバータ部の出力が2つの単相インバータに対応するものであるが、三相出力のインバータの場合には、相ごとに負荷側のスイッチおよび擬似負荷側のスイッチを接続すればよい。   2A and 2B, the output of the inverter unit corresponds to two single-phase inverters. However, in the case of a three-phase output inverter, a load is provided for each phase. The switch on the side and the switch on the pseudo load side may be connected.

電力変換装置10が、例えば5kW出力のパワーコンディショナである場合では、負荷に流れる電流は、200V(実効値)において、25A(実効値)の電流が流れる。したがって、負荷4側のスイッチ31a,31bについては、低オン抵抗であることが望まれる。スイッチ31a,31bのオン抵抗は、小さければ小さいほど好ましい。MOSFETのソースを共通とするいわゆる双方向スイッチのオン抵抗を下げるために、MOSFET等を複数個並列に接続してもよい。   In the case where the power conversion device 10 is a power conditioner with a 5 kW output, for example, a current flowing through the load is a current of 25 A (effective value) at 200 V (effective value). Therefore, it is desirable that the switches 31a and 31b on the load 4 side have a low on-resistance. The on resistance of the switches 31a and 31b is preferably as small as possible. A plurality of MOSFETs or the like may be connected in parallel in order to lower the on-resistance of a so-called bidirectional switch having a common MOSFET source.

擬似負荷34側のスイッチ32a,32bに流れる電流は、負荷4に流れる電流の1/10〜1/100程度と非常に小さい。ここで、負荷4は、定格負荷であり、流れる電流は、最大値であり定格負荷電流である。また、スイッチ32a,32bに流れる電流は、電力変換装置10の起動時の限られた期間内(一般的には数100ms〜数s以内)である。このことから、スイッチ32a,32bは、スイッチ31a,31bよりも大きなオン抵抗のものを用いることが可能である。例えば、スイッチ32a,32bのオン抵抗は、10mΩ〜100mΩとすることができる。負荷側のスイッチ31a,31bよりも小型のMOSFET等のスイッチ素子を用いることができる。   The current flowing through the switches 32 a and 32 b on the pseudo load 34 side is as small as about 1/10 to 1/100 of the current flowing through the load 4. Here, the load 4 is a rated load, and the flowing current is the maximum value and the rated load current. Further, the current flowing through the switches 32a and 32b is within a limited period (generally within several hundred ms to several s) when the power conversion apparatus 10 is activated. From this, it is possible to use switches 32a and 32b having larger on-resistance than the switches 31a and 31b. For example, the on-resistance of the switches 32a and 32b can be set to 10 mΩ to 100 mΩ. Switch elements such as MOSFETs smaller than the load-side switches 31a and 31b can be used.

初期充電部25は、電力変換装置10が起動状態の場合に、インバータ部21から負荷4に流れる電流をバイパスする。初期充電部25は、インバータ部21を構成する電荷蓄積素子を充電する別の電流経路を含む。初期充電部25は、例えば、図2(a)および図2(b)に示すように、抵抗素子を含む擬似負荷34である。擬似負荷34は、例えば、負荷4に流れる電流の最大値(定格負荷)に対して、1/10〜1/100の電流を流すことができるような抵抗値が設定される。   The initial charging unit 25 bypasses the current flowing from the inverter unit 21 to the load 4 when the power conversion device 10 is in the activated state. The initial charging unit 25 includes another current path for charging the charge storage element that forms the inverter unit 21. The initial charging unit 25 is, for example, a pseudo load 34 including a resistance element, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). For the pseudo load 34, for example, a resistance value is set such that a current of 1/10 to 1/100 can flow with respect to the maximum value (rated load) of the current flowing through the load 4.

このようにして、主回路12は、電力変換装置10が定常運転の状態の場合には、発電装置1からDC−DCコンバータ2を介して供給される直流電力を負荷4に対応した交流電力に変換する。また、主回路12は、電力変換装置10が起動状態の場合には、発電装置1からDC−DCコンバータ2を介して供給される直流電力を、負荷4に供給しないで、初期充電部25に供給する。   In this way, the main circuit 12 converts the DC power supplied from the power generator 1 through the DC-DC converter 2 into AC power corresponding to the load 4 when the power converter 10 is in a steady operation state. Convert. Further, when the power conversion device 10 is in the activated state, the main circuit 12 does not supply the direct current power supplied from the power generation device 1 via the DC-DC converter 2 to the load 4, and supplies it to the initial charging unit 25. Supply.

主回路12は、例えば、ノイズカットフィルタやトランスなどを、さらに含んでもよい。ノイズカットフィルタは、例えば、DC−DCコンバータ2とインバータ部21との間に設けられ、DC−DCコンバータ2から供給される直流電力に含まれるノイズを抑制する。トランスは、例えば、フィルタ部23と負荷4との間に設けられ、フィルタ部23から出力された交流電力を変圧する。   The main circuit 12 may further include, for example, a noise cut filter or a transformer. The noise cut filter is provided, for example, between the DC-DC converter 2 and the inverter unit 21 and suppresses noise included in DC power supplied from the DC-DC converter 2. For example, the transformer is provided between the filter unit 23 and the load 4, and transforms AC power output from the filter unit 23.

制御回路14は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)などのプロセッサである。制御回路14は、例えば、メモリ16から所定のプログラムを読み出し、そのプログラムを逐次処理することによって、電力変換装置10の各部を統括的に制御する。制御回路14は、具体的には、インバータ部21による直流電力から交流電力への変換を制御する。制御回路14は、電力変換装置10の定常運転の状態または起動状態に応じて切替部24を制御する。プログラムを記憶したメモリ16は、図1に示すように、制御回路14と別に設けられて、バス18を介して制御回路14に接続してもよく、制御回路14内に設けてもよい。メモリ16は、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等半導体素子を用いた記憶装置であってもよく、ハードディスク装置や光ディスク装置等の磁気記憶媒体、光磁気記憶媒体、光学記憶媒体等を用いた記憶装置であってもよく、これらを複数種類、複数台をバス18に接続して用いてもよい。   The control circuit 14 is, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or an MPU (Micro-Processing Unit). For example, the control circuit 14 reads out a predetermined program from the memory 16 and sequentially processes the program, thereby comprehensively controlling each unit of the power conversion apparatus 10. Specifically, the control circuit 14 controls conversion from DC power to AC power by the inverter unit 21. The control circuit 14 controls the switching unit 24 according to the state of steady operation or the startup state of the power conversion device 10. As shown in FIG. 1, the memory 16 storing the program is provided separately from the control circuit 14 and may be connected to the control circuit 14 via the bus 18 or may be provided in the control circuit 14. The memory 16 may be a storage device using a semiconductor element such as a ROM (Read Only Memory) or a RAM (Random Access Memory), a magnetic storage medium such as a hard disk device or an optical disk device, a magneto-optical storage medium, or an optical storage medium. Or a plurality of these may be connected to the bus 18 and used.

インバータ部21の詳細な構成を説明する。
インバータ部21は、高電位側の入力端子20aと、低電位側の入力端子20bと、複数のレグLG1、LG2と、を含む。高電位側の入力端子20aは、DC−DCコンバータ2の高電位側の出力端子2aに接続される。低電位側の入力端子20bは、DC−DCコンバータ2の低電位側の出力端子2bに接続される。このように、インバータ部21は、入力端子20a、20bを介してDC−DCコンバータ2に接続される。DC−DCコンバータ2から供給される直流電力は、入力端子20a、20b間に入力される。
A detailed configuration of the inverter unit 21 will be described.
The inverter unit 21 includes a high potential side input terminal 20a, a low potential side input terminal 20b, and a plurality of legs LG1 and LG2. The high potential side input terminal 20 a is connected to the high potential side output terminal 2 a of the DC-DC converter 2. The low potential side input terminal 20 b is connected to the low potential side output terminal 2 b of the DC-DC converter 2. Thus, the inverter unit 21 is connected to the DC-DC converter 2 via the input terminals 20a and 20b. The DC power supplied from the DC-DC converter 2 is input between the input terminals 20a and 20b.

以下本願明細書では、DC−DCコンバータ2は、電力変換装置10に接続されており、電力変換装置10の入力端子20a,20b間の入力電圧Vinは、DC−DCコンバータ2の出力端子2a,2b間の出力電圧に等しいものとして扱うことにする。DC−DCコンバータ2の出力電圧を、電力変換装置10の入力電圧Vinと表記することがある。   Hereinafter, in this specification, the DC-DC converter 2 is connected to the power conversion device 10, and the input voltage Vin between the input terminals 20 a and 20 b of the power conversion device 10 is the output terminal 2 a of the DC-DC converter 2. It is assumed that it is equal to the output voltage between 2b. The output voltage of the DC-DC converter 2 may be expressed as the input voltage Vin of the power conversion device 10.

この例において、インバータ部21は、第1レグLG1と第2レグLG2との2つのレグを含む。第1レグLG1は、第1上側アームUA1と第1下側アームLA1との2つのアームを含む。第1上側アームUA1は、高電位側の入力端子20aに接続される。第1下側アームLA1は、第1上側アームUA1と低電位側の入力端子20bとの間に接続される。第2レグLG2は、第2上側アームUA2と第2下側アームLA2との2つのアームを含む。第2上側アームUA2は、高電位側の入力端子20aに接続される。第2下側アームLA2は、第2上側アームUA2と低電位側の入力端子20bとの間に接続される。   In this example, the inverter unit 21 includes two legs, a first leg LG1 and a second leg LG2. The first leg LG1 includes two arms, a first upper arm UA1 and a first lower arm LA1. The first upper arm UA1 is connected to the input terminal 20a on the high potential side. The first lower arm LA1 is connected between the first upper arm UA1 and the low potential side input terminal 20b. The second leg LG2 includes two arms, a second upper arm UA2 and a second lower arm LA2. The second upper arm UA2 is connected to the input terminal 20a on the high potential side. The second lower arm LA2 is connected between the second upper arm UA2 and the low potential side input terminal 20b.

このように、各レグLG1、LG2は、各入力端子20a、20bの間に並列に接続される。なお、各レグLG1、LG2において、「上側」および「下側」は、上下方向の配置を意味するものではない。各レグLG1、LG2において、「上側」とは、入力された直流電圧の電位の高い側を意味し、「下側」とは、入力された直流電圧の電位の低い側を意味する。各上側アームUA1、UA2は、換言すれば、高電位側のアームである。各下側アームLA1、LA2は、換言すれば、低電位側のアームである。   Thus, each leg LG1, LG2 is connected in parallel between each input terminal 20a, 20b. In each leg LG1, LG2, “upper side” and “lower side” do not mean an arrangement in the vertical direction. In each leg LG1, LG2, “upper side” means the side where the potential of the input DC voltage is higher, and “lower side” means the side where the potential of the input DC voltage is lower. In other words, the upper arms UA1 and UA2 are arms on the high potential side. In other words, the lower arms LA1 and LA2 are arms on the low potential side.

この例において、インバータ部21は、2レグ4アームの、いわゆる単相インバータである。インバータ部21は、直流電力を単相交流電力に変換する。インバータ部21は、直流電力を三相交流電力に変換する三相インバータでもよい。三相インバータの場合には、インバータは、第1レグLG1および第2レグLG2に対して並列に接続される第3レグをさらに含む。   In this example, the inverter unit 21 is a so-called single-phase inverter having two legs and four arms. The inverter unit 21 converts DC power into single-phase AC power. The inverter unit 21 may be a three-phase inverter that converts DC power into three-phase AC power. In the case of a three-phase inverter, the inverter further includes a third leg connected in parallel to the first leg LG1 and the second leg LG2.

このように、電力変換装置10の出力電力は、単相交流電力でもよいし、三相交流電力でもよい。電力変換装置10の出力電力は、負荷4に応じて設定すればよい。インバータ部21が三相インバータである場合には、三相交流電力の相ごとにフィルタ部23が設けられる。すなわち、インバータ部21が三相インバータである場合には、3つのフィルタ部23が設けられる。   As described above, the output power of the power conversion device 10 may be single-phase AC power or three-phase AC power. What is necessary is just to set the output electric power of the power converter device 10 according to the load 4. FIG. When the inverter unit 21 is a three-phase inverter, a filter unit 23 is provided for each phase of the three-phase AC power. That is, when the inverter unit 21 is a three-phase inverter, three filter units 23 are provided.

第1レグLG1の第1上側アームUA1は、入力端子20a、20bの間に接続された第1上側スイッチング素子U1と、第1上側スイッチング素子U1と入力端子20aとの間に接続された第2上側スイッチング素子U2と、を含む。   The first upper arm UA1 of the first leg LG1 includes a first upper switching element U1 connected between the input terminals 20a and 20b, and a second connected between the first upper switching element U1 and the input terminal 20a. And an upper switching element U2.

第1レグLG1の第1下側アームLA1は、第1上側スイッチング素子U1と低電位側の入力端子20bとの間に接続された第1下側スイッチング素子X1と、第1下側スイッチング素子X1と低電位側の入力端子20bとの間に接続された第2下側スイッチング素子X2と、を含む。   The first lower arm LA1 of the first leg LG1 includes a first lower switching element X1 connected between the first upper switching element U1 and the low potential side input terminal 20b, and a first lower switching element X1. And a second lower switching element X2 connected between the input terminal 20b on the low potential side.

また、第1レグLG1は、第1電荷蓄積素子CU1を含む。第1電荷蓄積素子CU1の一端は、第1上側スイッチング素子U1と第2上側スイッチング素子U2との間に接続される。第1電荷蓄積素子CU1の他端は、第1下側スイッチング素子X1と第2下側スイッチング素子X2との間に接続される。   The first leg LG1 includes a first charge storage element CU1. One end of the first charge storage element CU1 is connected between the first upper switching element U1 and the second upper switching element U2. The other end of the first charge storage element CU1 is connected between the first lower switching element X1 and the second lower switching element X2.

第2レグLG2は、第1レグLG1と同様に、第1上側スイッチング素子V1と、第2上側スイッチング素子V2と、第1下側スイッチング素子Y1と、第2下側スイッチング素子Y2と、第1電荷蓄積素子CV1と、を含む。第2レグLG2の構成は、第1レグLG1の構成と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。   Similarly to the first leg LG1, the second leg LG2 includes the first upper switching element V1, the second upper switching element V2, the first lower switching element Y1, the second lower switching element Y2, and the first leg switching element Y2. Charge storage element CV1. Since the configuration of the second leg LG2 is substantially the same as the configuration of the first leg LG1, detailed description thereof is omitted.

第1電荷蓄積素子CU1、CV1には、例えば、コンデンサが用いられる。第1電荷蓄積素子CU1、CV1は、例えば、フライングキャパシタと呼ばれる。すなわち、インバータ部21は、いわゆるフライングキャパシタ回路方式のインバータである。   For example, capacitors are used for the first charge storage elements CU1 and CV1. The first charge storage elements CU1, CV1 are called, for example, flying capacitors. That is, the inverter unit 21 is a so-called flying capacitor circuit type inverter.

第1レグLG1は、第3上側スイッチング素子U3と、第3下側スイッチング素子X3と、第2電荷蓄積素子CU2と、をさらに含む。第3上側スイッチング素子U3は、第2上側スイッチング素子U2と高電位側の入力端子20aとの間に接続される。第3下側スイッチング素子X3は、第2下側スイッチング素子X2と低電位側の入力端子20bとの間に接続される。第2電荷蓄積素子CU2の一端は、第2上側スイッチング素子U2と第3上側スイッチング素子U3との間に接続される。第2電荷蓄積素子CU2の他端は、第2下側スイッチング素子X2と第3下側スイッチング素子X3との間に接続される。   The first leg LG1 further includes a third upper switching element U3, a third lower switching element X3, and a second charge storage element CU2. The third upper switching element U3 is connected between the second upper switching element U2 and the input terminal 20a on the high potential side. The third lower switching element X3 is connected between the second lower switching element X2 and the low potential side input terminal 20b. One end of the second charge storage element CU2 is connected between the second upper switching element U2 and the third upper switching element U3. The other end of the second charge storage element CU2 is connected between the second lower switching element X2 and the third lower switching element X3.

第2レグLG2は、同様に、第3上側スイッチング素子V3と、第3下側スイッチング素子Y3と、第2電荷蓄積素子CV2と、をさらに含む。   Similarly, the second leg LG2 further includes a third upper switching element V3, a third lower switching element Y3, and a second charge storage element CV2.

このように、インバータ部21では、各アームUA1、UA2、LA1、LA2のそれぞれに、3つのスイッチング素子が直列に接続されている。第2電荷蓄積素子CU2は、DC−DCコンバータ2と第1電荷蓄積素子CU1との中間の電圧を生じさせる。第1電荷蓄積素子CU1は、第2電荷蓄積素子CU2と基準電位との中間の電圧を生じさせる。同様に、第2電荷蓄積素子CV2は、DC−DCコンバータ2と第1電荷蓄積素子CV1との中間の電圧を生じさせる。第1電荷蓄積素子CV1は、第2電荷蓄積素子CV2と基準電位との中間の電圧を生じさせる。このため、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2は、中間コンデンサと呼ばれる場合もある。   Thus, in the inverter unit 21, three switching elements are connected in series to each of the arms UA1, UA2, LA1, and LA2. The second charge storage element CU2 generates an intermediate voltage between the DC-DC converter 2 and the first charge storage element CU1. The first charge storage element CU1 generates a voltage intermediate between the second charge storage element CU2 and the reference potential. Similarly, the second charge storage element CV2 generates a voltage intermediate between the DC-DC converter 2 and the first charge storage element CV1. The first charge storage element CV1 generates a voltage intermediate between the second charge storage element CV2 and the reference potential. For this reason, the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 are sometimes referred to as intermediate capacitors.

これにより、インバータ部21では、上側のアームで3レベル、下側のアームで3レベル、これに基準電位のレベルを加えた計7レベルに出力電圧のレベルを変化させることができる。すなわち、インバータ部21は、7レベルのマルチレベルインバータである。各アームUA1、UA2、LA1、LA2に設けられるスイッチング素子の数は、2つでもよいし、4つ以上でもよい。インバータ部21から出力される電圧のレベルは、5レベルでもよいし、9レベル以上でもよい。   As a result, the inverter unit 21 can change the level of the output voltage to 3 levels with the upper arm, 3 levels with the lower arm, and 7 levels in total including the reference potential level. That is, the inverter unit 21 is a 7-level multi-level inverter. The number of switching elements provided in each arm UA1, UA2, LA1, LA2 may be two, or four or more. The level of the voltage output from the inverter unit 21 may be 5 levels or 9 levels or more.

このように、出力電圧のレベルを7レベルに変化させるインバータ部21を用いた場合、2レベル出力の場合に比べて、フィルタ部23の体積を約85%削減することができる。例えば、2レベル出力の場合のフィルタ部23の体積が約750ccである場合、この例では、フィルタ部23の体積を約112ccにすることができる。したがって、電力変換装置10を高出力密度化できる。なお、「出力密度」とは、電力変換装置10の体積に対する電力変換装置10の出力電力の比率である。   Thus, when the inverter unit 21 that changes the level of the output voltage to 7 levels is used, the volume of the filter unit 23 can be reduced by about 85% compared to the case of 2-level output. For example, when the volume of the filter unit 23 in the case of 2-level output is about 750 cc, in this example, the volume of the filter unit 23 can be about 112 cc. Therefore, the power converter 10 can be increased in output density. The “output density” is the ratio of the output power of the power converter 10 to the volume of the power converter 10.

また、以下で詳述するように、電力変換装置10の定常運転の状態においては、インバータ部21の入力電圧が電荷蓄積素子によって分割されるので、インバータ部21を構成するスイッチング素子の耐圧を低く設定することができる。したがって、2レベル出力のインバータに対して、さらなる小型化、高出力密度化を実現することができる。   Further, as will be described in detail below, in the state of steady operation of the power conversion device 10, the input voltage of the inverter unit 21 is divided by the charge storage elements, so that the withstand voltage of the switching elements constituting the inverter unit 21 is reduced. Can be set. Therefore, further downsizing and higher output density can be realized for the two-level output inverter.

インバータ部21は、第1上側スイッチング素子U1、V1と、第2上側スイッチング素子U2、V2と、第1下側スイッチング素子X1、Y1と、第2下側スイッチング素子X2、Y2と、第1電荷蓄積素子CU1、CV1と、を少なくとも含んでいればよい。アームUA1、UA2、LA1、LA2にそれぞれ3つ以上のスイッチング素子を設ける場合には、インバータ部21に複数の電荷蓄積素子が設けられる。電荷蓄積素子の数は、アームUA1、UA2、LA1、LA2のスイッチング素子の数から1を引いた値である。各電荷蓄積素子の一端は、上側アームの隣り合う2つのスイッチング素子の接続点に接続される。各電荷蓄積素子の他端は、下側アームの隣り合う2つのスイッチング素子の接続点に接続される。   The inverter unit 21 includes first upper switching elements U1 and V1, second upper switching elements U2 and V2, first lower switching elements X1 and Y1, second lower switching elements X2 and Y2, and a first charge. The storage elements CU1 and CV1 need only be included at least. When three or more switching elements are provided in each of the arms UA1, UA2, LA1, and LA2, a plurality of charge storage elements are provided in the inverter unit 21. The number of charge storage elements is a value obtained by subtracting 1 from the number of switching elements of the arms UA1, UA2, LA1, and LA2. One end of each charge storage element is connected to a connection point between two adjacent switching elements of the upper arm. The other end of each charge storage element is connected to a connection point between two adjacent switching elements of the lower arm.

インバータ部21では、第1上側アームUA1と第1下側アームLA1との接続点、および、第2上側アームUA2と第2下側アームLA2との接続点が、出力21U,21Vとなる。換言すれば、第1上側スイッチング素子U1と第1下側スイッチング素子X1との接続点、および、第1上側スイッチング素子V1と第1下側スイッチング素子Y1との接続点が、出力21U,21Vとなる。フィルタ部23および初期充電部25は、インバータ部21の出力21U,21Vに直列に接続される。   In the inverter unit 21, the connection points between the first upper arm UA1 and the first lower arm LA1 and the connection points between the second upper arm UA2 and the second lower arm LA2 are outputs 21U and 21V. In other words, the connection point between the first upper switching element U1 and the first lower switching element X1 and the connection point between the first upper switching element V1 and the first lower switching element Y1 are the outputs 21U and 21V. Become. The filter unit 23 and the initial charging unit 25 are connected in series to the outputs 21U and 21V of the inverter unit 21.

各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3には、例えば、自己消弧型の素子が用いられる。より具体的には、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、GTO(Gate Turn-Off thyristor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などが用いられる。高周波化、高出力密度化に対応するために、炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)を用いたスイッチング素子を用いることができる。   For example, self-extinguishing elements are used for the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3. More specifically, for example, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), GTO (Gate Turn-Off thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or the like is used. In order to cope with higher frequency and higher output density, a switching element using silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) can be used.

各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、一対の主電極と、各主電極間に流れる電流を制御する制御電極と、を含む。制御電極は、例えば、ゲート電極である。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、各主電極において直列に接続される。   Each of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 includes a pair of main electrodes and a control electrode that controls a current flowing between the main electrodes. The control electrode is, for example, a gate electrode. Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 is connected in series in each main electrode.

各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、制御電極に印加される電圧に応じて、オン状態とオフ状態とに変化する。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、例えば、第1電圧を制御電極に印加した時にオン状態になる。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、第1電圧よりも低い第2電圧を制御電極に印加した時、または、制御電極に電圧を印加していない時に、オフ状態になる。オフ状態は、各主電極間に実質的に電流が流れない状態である。オフ状態は、例えば、インバータ部21での電力変換に影響を与えない範囲の微弱な電流が各主電極間に流れる状態でもよい。換言すれば、オン状態は、各主電極間に電流が流れる第1状態である。オフ状態は、各主電極間に流れる電流が、第1状態よりも低い第2状態である。この例において、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、ノーマリオフ型である。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、ノーマリオン型でもよい。   Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 changes to an ON state and an OFF state according to the voltage applied to a control electrode. Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 will be in an ON state, for example when a 1st voltage is applied to a control electrode. Each of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, Y1 to Y3 is applied when a second voltage lower than the first voltage is applied to the control electrode or when no voltage is applied to the control electrode. Turns off. The off state is a state in which substantially no current flows between the main electrodes. The off state may be, for example, a state in which a weak current in a range that does not affect the power conversion in the inverter unit 21 flows between the main electrodes. In other words, the on state is a first state in which current flows between the main electrodes. The off state is a second state in which the current flowing between the main electrodes is lower than the first state. In this example, the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 are normally-off types. Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 may be a normally-on type.

また、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3には、ダイオードが接続されている。各ダイオードは、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のそれぞれの各主電極に対して並列に接続される。また、各ダイオードの順方向は、各主電極間に流れる電流の方向に対して逆向きに接続される。すなわち、各ダイオードは、いわゆる還流ダイオードである。   In addition, diodes are connected to the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3. Each diode is connected in parallel to each main electrode of each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3. The forward direction of each diode is connected in the opposite direction to the direction of current flowing between the main electrodes. That is, each diode is a so-called free-wheeling diode.

制御回路14は、インバータ部21の各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3に接続されている。具体的には、制御回路14は、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のそれぞれの制御電極に接続されている。制御回路14は、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。制御回路14は、例えば、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の制御電極に制御信号を入力し、制御信号の電圧を変化させることによって、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。制御信号は、いわゆるゲート信号である。これにより、制御回路14は、直流電力を負荷4に応じた交流電力に変換する。   The control circuit 14 is connected to the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 of the inverter unit 21. Specifically, the control circuit 14 is connected to each control electrode of each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3. The control circuit 14 controls on / off of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3. For example, the control circuit 14 inputs a control signal to the control electrodes of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3, and changes the voltage of the control signal, thereby changing the switching elements U1 to U1. ON / OFF of U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 is controlled. The control signal is a so-called gate signal. Thereby, the control circuit 14 converts DC power into AC power corresponding to the load 4.

図3(a)〜図3(d)は、第1の実施形態に係る電力変換装置10の定常運転の状態での制御回路の動作を模式的に示す動作波形例のタイミング図である。
図3(a)〜図3(d)に示すように、制御回路14は、キャリア信号CS1〜CS3と変調波MWとを比較して、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3をオン・オフし、デューティサイクルを制御する。
FIG. 3A to FIG. 3D are timing diagrams of exemplary operation waveforms schematically showing the operation of the control circuit in the steady operation state of the power conversion apparatus 10 according to the first embodiment.
As shown in FIGS. 3A to 3D, the control circuit 14 compares the carrier signals CS1 to CS3 with the modulated wave MW, and compares the switching elements U1 to U3, X1 to X3, and V1 to V3. , Y1 to Y3 are turned on / off to control the duty cycle.

図3(a)では、第1レグLG1の各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3の制御に用いられるキャリア信号CS1〜CS3および変調波MWの一例を表している。変調波MWは、各レグLG1、LG2ごとに設定されるので、この例では、実際には、2つの変調波MWが設定される。   FIG. 3A illustrates an example of carrier signals CS1 to CS3 and a modulated wave MW used for controlling the switching elements U1 to U3 and X1 to X3 of the first leg LG1. Since the modulation wave MW is set for each leg LG1, LG2, in this example, two modulation waves MW are actually set.

キャリア信号は、各レグLG1、LG2において、各上側スイッチング素子U1〜U3、V1〜V3ごと、または、各下側スイッチング素子X1〜X3、Y1〜Y3ごとに設定される。すなわち、この例では、6つのキャリア信号が設定される。なお、第1レグLG1の各スイッチング素子に設定されたキャリア信号を、第2レグLG2の各スイッチング素子に共通に用いることもできる。したがって、この例においては、少なくとも3種類のキャリア信号を用意する。   The carrier signal is set for each of the upper switching elements U1 to U3 and V1 to V3 or for each of the lower switching elements X1 to X3 and Y1 to Y3 in each leg LG1 and LG2. That is, in this example, six carrier signals are set. The carrier signal set in each switching element of the first leg LG1 can also be used in common for each switching element of the second leg LG2. Therefore, in this example, at least three types of carrier signals are prepared.

キャリア信号CS1は、第1上側スイッチング素子U1の制御に用いられるキャリア信号の一例である。キャリア信号CS2は、第2上側スイッチング素子U2の制御に用いられるキャリア信号の一例である。キャリア信号CS3は、第3上側スイッチング素子U3の制御に用いられるキャリア信号の一例である。   The carrier signal CS1 is an example of a carrier signal used for controlling the first upper switching element U1. The carrier signal CS2 is an example of a carrier signal used for controlling the second upper switching element U2. The carrier signal CS3 is an example of a carrier signal used for controlling the third upper switching element U3.

図3(b)は、変調波MWおよびキャリア信号CS1を基に生成される第1上側スイッチング素子U1の制御信号の一例である。図3(c)は、変調波MWおよびキャリア信号CS2を基に生成される第2上側スイッチング素子U2の制御信号の一例である。図3(d)は、変調波MWおよびキャリア信号CS3を基に生成される第3上側スイッチング素子U3の制御信号の一例である。   FIG. 3B is an example of a control signal for the first upper switching element U1 generated based on the modulated wave MW and the carrier signal CS1. FIG. 3C is an example of a control signal for the second upper switching element U2 generated based on the modulated wave MW and the carrier signal CS2. FIG. 3D is an example of a control signal for the third upper switching element U3 generated based on the modulated wave MW and the carrier signal CS3.

変調波MWおよび各キャリア信号CS1〜CS3は、周期的に変化する。変調波MWは、例えば、正弦波である。変調波MWの周波数は、主回路12から出力される交流電力の周波数に応じて設定される。変調波MWの周波数は、例えば、50Hzまたは60Hzである。各キャリア信号CS1〜CS3は、例えば、三角波である。各キャリア信号CS1〜CS3は、鋸波や台形波などでもよい。各キャリア信号CS1〜CS3の周波数は、変調波MWの周波数よりも高い。各キャリア信号CS1〜CS3の周波数は、例えば、0.5kHz以上25kHz以下程度である。各キャリア信号CS1〜CS3のそれぞれの周波数は、実質的に同じである。   Modulated wave MW and carrier signals CS1 to CS3 change periodically. The modulation wave MW is, for example, a sine wave. The frequency of modulated wave MW is set according to the frequency of AC power output from main circuit 12. The frequency of the modulation wave MW is, for example, 50 Hz or 60 Hz. Each carrier signal CS1-CS3 is, for example, a triangular wave. The carrier signals CS1 to CS3 may be sawtooth waves or trapezoidal waves. The frequencies of the carrier signals CS1 to CS3 are higher than the frequency of the modulated wave MW. The frequency of each of the carrier signals CS1 to CS3 is, for example, about 0.5 kHz to 25 kHz. The frequencies of the carrier signals CS1 to CS3 are substantially the same.

また、各キャリア信号CS1〜CS3は、120度ずつ位相をずらして設定される。キャリア信号の位相は、キャリア信号の数に応じて設定される。例えば、各アームが2つのスイッチング素子を含む5レベルのインバータの場合、2つのキャリア信号が設定され、各キャリア信号の位相が180度ずつずらされる。このため、インバータ部21は、キャリア位相シフト信号生成方式と呼ばれる場合もある。   The carrier signals CS1 to CS3 are set with a phase shift of 120 degrees. The phase of the carrier signal is set according to the number of carrier signals. For example, when each arm is a five-level inverter including two switching elements, two carrier signals are set, and the phase of each carrier signal is shifted by 180 degrees. For this reason, the inverter part 21 may be called a carrier phase shift signal generation system.

制御回路14は、変調波MWと各キャリア信号CS1〜CS3とを比較する。制御回路14は、例えば、変調波MWが各キャリア信号CS1〜CS3以上の時に、各上側スイッチング素子U1〜U3をオンにし、各下側スイッチング素子X1〜X3をオフにする。この場合、制御回路14は、変調波MWが各キャリア信号CS1〜CS3未満の時に、各上側スイッチング素子U1〜U3をオフにし、各下側スイッチング素子X1〜X3をオンにする。このように、制御回路14は、各上側スイッチング素子U1〜U3と、各下側スイッチング素子X1〜X3と、を交互にオン・オフする。上記と反対に、変調波MWがキャリア信号CS以上の時に、各上側スイッチング素子U1〜U3をオフにし、各下側スイッチング素子X1〜X3をオンにしてもよい。   The control circuit 14 compares the modulated wave MW with the carrier signals CS1 to CS3. For example, the control circuit 14 turns on the upper switching elements U1 to U3 and turns off the lower switching elements X1 to X3 when the modulated wave MW is equal to or higher than the carrier signals CS1 to CS3. In this case, the control circuit 14 turns off the upper switching elements U1 to U3 and turns on the lower switching elements X1 to X3 when the modulated wave MW is less than the carrier signals CS1 to CS3. As described above, the control circuit 14 alternately turns on and off the upper switching elements U1 to U3 and the lower switching elements X1 to X3. On the contrary, when the modulated wave MW is equal to or higher than the carrier signal CS, the upper switching elements U1 to U3 may be turned off and the lower switching elements X1 to X3 may be turned on.

制御回路14は、各レグLG1、LG2のそれぞれを上記のように制御する。これにより、制御回路14は、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。すなわち、インバータ部21による直流電力から交流電力への変換を制御する。   The control circuit 14 controls each of the legs LG1 and LG2 as described above. Thereby, the control circuit 14 controls on / off of each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3. That is, the conversion from DC power to AC power by the inverter unit 21 is controlled.

なお、フライングキャパシタ回路方式のインバータ部21の定常運転状態における制御方法については、例えば、「フライングキャパシタマルチレベル変換器におけるキャパシタ選定指針に関する検討 電気学会論文誌 Vol.131, No.12 pp.1393-1400」の論文などに詳細に記載されている。   For the control method in the steady operation state of the flying capacitor circuit type inverter unit 21, for example, “Study on capacitor selection guideline in flying capacitor multi-level converter” Vol.131, No.12 pp.1393- 1400 "is described in detail.

本実施形態のような7レベルのフライングキャパシタ方式の電力変換装置10の定常運転の状態では、電荷蓄積素子CU1,CV1は(1/3)Vin(max)程度の電圧まで充電される。電荷蓄積素子CU2,CV2は、(2/3)Vin(max)程度の電圧まで充電される。各スイッチング素子は、オフ時には、(1/2)(1/3)Vin(max)の電圧が印加される。したがって、入力電圧Vinの電力変換装置10のスイッチング素子の耐圧は、(1/3)Vin(max)に対応するものを用いることができる。   In the state of steady operation of the 7-level flying capacitor type power converter 10 as in the present embodiment, the charge storage elements CU1 and CV1 are charged to a voltage of about (1/3) Vin (max). The charge storage elements CU2 and CV2 are charged to a voltage of about (2/3) Vin (max). When each switching element is off, a voltage of (1/2) (1/3) Vin (max) is applied. Therefore, the withstand voltage of the switching element of the power conversion device 10 with the input voltage Vin can be one corresponding to (1/3) Vin (max).

一方、DC−DCコンバータ2が動作を開始した時点では、インバータ入力端子20a,20bに入力電圧Vinが印加されていない。したがって、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2は、電荷を蓄積しておらず、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2の両端の電圧が、0Vまたはほぼ0Vである。すべてのスイッチング素子は、オフしているので、このような初期の状態では、インバータ入力端子20a,20bに規定の入力電圧Vin(max)が印加されると、スイッチング素子U3,X3,V3,Y3には(1/2)Vin(max)までの過大な電圧が印加されてしまう。Vin(max)は、例えば約330Vである。定常運転の状態では、110V程度の電圧が印加されるべきところ、電力変換装置10の起動時には、スイッチング素子U3,X3,V3,Y3は、約165Vの過大な電圧が印加されることとなる。したがって、甚だしい場合には、スイッチング素子U3,X3,V3,Y3は、破損するおそれがある。   On the other hand, when the DC-DC converter 2 starts operation, the input voltage Vin is not applied to the inverter input terminals 20a and 20b. Therefore, the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 do not store charges, and the voltage across the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 is 0V or almost 0V. Since all the switching elements are off, in such an initial state, when the specified input voltage Vin (max) is applied to the inverter input terminals 20a and 20b, the switching elements U3, X3, V3, and Y3 An excessive voltage up to (1/2) Vin (max) is applied to. Vin (max) is, for example, about 330V. In the state of steady operation, a voltage of about 110V should be applied. However, when the power converter 10 is started, an excessive voltage of about 165V is applied to the switching elements U3, X3, V3, and Y3. Therefore, in severe cases, the switching elements U3, X3, V3, and Y3 may be damaged.

なお、DC−DCコンバータ2が昇圧回路である場合には、DC−DCコンバータ2が動作を開始する時点では、DC−DCコンバータ2の入力電圧に相当する出力電圧が出力されるので、電力変換装置10の入力電圧Vinは0Vではない。本願明細書では、DC−DCコンバータ2が、このようにVinが値をもっている場合でも、スイッチング素子の過電圧レベル以下となるような電圧レベルであるときには、本実施形態に含まれるものとする。   When the DC-DC converter 2 is a booster circuit, an output voltage corresponding to the input voltage of the DC-DC converter 2 is output when the DC-DC converter 2 starts to operate. The input voltage Vin of the device 10 is not 0V. In this specification, even when the DC-DC converter 2 has a value of Vin as described above, it is included in the present embodiment when the voltage level is equal to or lower than the overvoltage level of the switching element.

電力変換装置10を小型化し、高出力密度化を達成するために、電力変換装置10の損失は、低減される必要がある。電力変換装置10の損失は、スイッチング素子のオン時の損失が大きく関係する。電力変換装置10の損失は、スイッチング素子のオン電圧の増大にしたがって増加する。スイッチング素子がMOSFETの場合のオン抵抗は、ドレイン−ソース間の耐圧(ブレークダウン電圧)のほぼ2乗から2.5乗に比例して増大することが知られている。耐圧が高いスイッチング素子を用いた場合には、電力変換装置10の損失は、指数関数的に増大する。そのため、起動時の過大な電圧のために定常運転時の3倍以上の耐圧の過大な定格を有するスイッチング素子を用いることは、ダイサイズのより大きなスイッチング素子を用いることになるので、高効率化、高電力密度化に反することになる。   In order to reduce the size of the power conversion device 10 and achieve high power density, the loss of the power conversion device 10 needs to be reduced. The loss of the power conversion device 10 is largely related to the loss when the switching element is on. The loss of the power conversion device 10 increases as the ON voltage of the switching element increases. It is known that the on-resistance when the switching element is a MOSFET increases in proportion to the square of the drain-source breakdown voltage (breakdown voltage) to the power of 2.5. When a switching element with a high breakdown voltage is used, the loss of the power conversion device 10 increases exponentially. For this reason, using a switching element having an excessive rating with a withstand voltage that is three times or more that during steady operation due to an excessive voltage at the time of start-up results in using a switching element having a larger die size, thus increasing efficiency. This is contrary to high power density.

本実施形態の電力変換装置10は、インバータ部21の各相の出力21U,21Vと負荷4との間に直列接続された切替部24を含む。切替部24は、電力変換装置10の起動時に負荷4に流れる電流を切断し、初期充電部25に電流を流す。初期充電部25は、負荷4に流れる定格電流の1/10〜1/100程度の電流を流すことができる擬似負荷34を含む。   The power conversion device 10 of the present embodiment includes a switching unit 24 connected in series between the outputs 21U and 21V of each phase of the inverter unit 21 and the load 4. The switching unit 24 cuts off the current flowing through the load 4 when the power conversion device 10 is started up, and passes the current through the initial charging unit 25. The initial charging unit 25 includes a pseudo load 34 that can flow a current of about 1/10 to 1/100 of the rated current flowing through the load 4.

このように、電力変換装置10の起動時には、負荷4に流す電流よりも小さな電流を擬似負荷34を含む初期充電部25に流すことによって、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2は、過剰に充電されることがない。   As described above, when the power conversion device 10 is started, the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 are excessively caused by flowing a current smaller than the current that flows to the load 4 to the initial charging unit 25 including the pseudo load 34. It will not be charged.

切替部24のすべてのスイッチ31a,31b,32a,32bは、制御回路14によってオン・オフを制御される。具体的には、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2が規定の電圧Vin(max)によって充電されている定常運転の状態では、負荷4側のでスイッチ31a,31bがオンし、擬似負荷34側のスイッチ32a,32bがオフする。発電装置1が発電を開始したり(例えば、太陽電池パネルに日光が当たり発電を開始)、制御信号入力端子2cを用いて、DC−DCコンバータ2が起動され、電力変換装置10に入力電圧Vinが印加されて、電力変換装置10が起動した場合には、スイッチ31a,31bがオフし、スイッチ32a,32bがオンする。   All the switches 31 a, 31 b, 32 a, and 32 b of the switching unit 24 are controlled to be turned on / off by the control circuit 14. Specifically, in a steady operation state in which the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 are charged with a specified voltage Vin (max), the switches 31a and 31b are turned on at the load 4 side, and the pseudo load 34 side is turned on. The switches 32a and 32b are turned off. When the power generation device 1 starts power generation (for example, sunlight hits the solar cell panel and starts power generation), the DC-DC converter 2 is activated using the control signal input terminal 2c, and the input voltage Vin is applied to the power conversion device 10. Is applied and the power conversion device 10 is activated, the switches 31a and 31b are turned off and the switches 32a and 32b are turned on.

制御回路14は、制御部41と、切替スイッチ駆動部42と、周波数決定部43と、キャリア生成部44と、変調波生成部45と、比較部46と、を含む。   The control circuit 14 includes a control unit 41, a changeover switch drive unit 42, a frequency determination unit 43, a carrier generation unit 44, a modulated wave generation unit 45, and a comparison unit 46.

制御部41は、メモリ16とバス18を介してデータのやりとりを行う。制御部41は、メモリ16に格納されたプログラムのステップを逐次実行する。制御部41は、メモリ16から読み出したプログラムのステップにしたがって、切替スイッチ駆動部42を制御し、周波数決定部43を制御し、あるいは変調波生成部45を制御する。   The control unit 41 exchanges data via the memory 16 and the bus 18. The control unit 41 sequentially executes the program steps stored in the memory 16. The control unit 41 controls the changeover switch drive unit 42, controls the frequency determination unit 43, or controls the modulated wave generation unit 45 according to the program steps read from the memory 16.

切替スイッチ駆動部42は、制御部41の指令にしたがって、切替部24のスイッチ31a,31b,32a,32bに接続されこれらのオン・オフを制御する。   The changeover switch drive unit 42 is connected to the switches 31 a, 31 b, 32 a, and 32 b of the changeover unit 24 according to a command from the control unit 41 and controls on / off of these.

周波数決定部43は、制御部41の指令にしたがって、各キャリア信号CS1〜CS3の周波数(以下、キャリア周波数と称す)を決定してキャリア生成部44に決定された周波数値を入力する。周波数決定部43は、例えば、上位のコントローラ(図示せず)から入力された設定値にしたがってキャリア周波数を設定する。   The frequency determination unit 43 determines the frequency of each of the carrier signals CS <b> 1 to CS <b> 3 (hereinafter referred to as a carrier frequency) according to a command from the control unit 41 and inputs the determined frequency value to the carrier generation unit 44. For example, the frequency determination unit 43 sets the carrier frequency according to a setting value input from a host controller (not shown).

キャリア周波数の最大値は、スイッチング素子のスイッチング時の損失等を考慮して、例えば、33kHz程度である。上述したように、電力変換装置10は、6つのキャリア周波数を位相をずらして動作するので、電力変換装置10の実質的なキャリア周波数(等価キャリア周波数fcar)の最大値は、例えば33kHzの6倍の200kHz程度となる。一方、フィルタ等のサイズ等を考慮すると、等価キャリア周波数fcarの最小値は、例えば、6kHz程度である。すなわち、キャリア周波数の最小値は、例えば、1kHz程度である。   The maximum value of the carrier frequency is, for example, about 33 kHz in consideration of loss during switching of the switching element. As described above, since the power conversion device 10 operates by shifting the phases of the six carrier frequencies, the maximum value of the substantial carrier frequency (equivalent carrier frequency fcar) of the power conversion device 10 is, for example, 6 times 33 kHz. Of about 200 kHz. On the other hand, considering the size of the filter and the like, the minimum value of the equivalent carrier frequency fcar is, for example, about 6 kHz. That is, the minimum value of the carrier frequency is about 1 kHz, for example.

キャリア生成部44は、周波数決定部43で決定した周波数の各相のキャリア信号CS1〜CS3を生成する。キャリア生成部44の各相の出力は、比較部46に接続されている。キャリア生成部44は、生成した各相のキャリア信号CS1〜CS3を比較部46に入力する。   The carrier generation unit 44 generates carrier signals CS <b> 1 to CS <b> 3 for each phase of the frequency determined by the frequency determination unit 43. The output of each phase of the carrier generation unit 44 is connected to the comparison unit 46. The carrier generation unit 44 inputs the generated carrier signals CS1 to CS3 of each phase to the comparison unit 46.

変調波生成部45は、制御部41の指令にしたがって、例えば、基準となる正弦波が電力指令値として設定される。変調波生成部45の出力は、比較部に入力される。変調波生成部45で生成される信号波形、すなわち変調波MWは、制御部41の指令にしたがって、振幅、周波数、および位相を設定された正弦波とすることができる。本願明細書では、変調波MWの振幅と、キャリア生成部44で生成されるキャリア信号の振幅と、の比率を変調率Rmということとする。変調波MWの振幅が、キャリア信号CS1〜CS3の振幅に等しい場合を、変調率Rm=1(100%)とし、変調波MWの振幅が0の場合を、変調率Rm=0(0%)とする。変調率Rmは、制御部41の指令にしたがって、特定の値(例えば「1」)に設定することもでき、段階的あるいは連続的に変化させることもできる。変調波生成部45は、比較部46に接続され、生成した各変調波MWを比較部46に入力する。   In the modulated wave generation unit 45, for example, a sine wave as a reference is set as a power command value in accordance with a command from the control unit 41. The output of the modulated wave generation unit 45 is input to the comparison unit. The signal waveform generated by the modulation wave generation unit 45, that is, the modulation wave MW, can be a sine wave having an amplitude, frequency, and phase set in accordance with a command from the control unit 41. In the present specification, the ratio between the amplitude of the modulation wave MW and the amplitude of the carrier signal generated by the carrier generation unit 44 is referred to as a modulation rate Rm. When the amplitude of the modulated wave MW is equal to the amplitude of the carrier signals CS1 to CS3, the modulation rate Rm = 1 (100%), and when the amplitude of the modulated wave MW is 0, the modulation rate Rm = 0 (0%) And The modulation factor Rm can be set to a specific value (for example, “1”) according to a command from the control unit 41, and can be changed stepwise or continuously. The modulated wave generation unit 45 is connected to the comparison unit 46 and inputs the generated modulated waves MW to the comparison unit 46.

電力指令値は、例えば、電力系統などを制御する上位のコントローラなどから電力変換装置10に入力される。各電力指令値は、電力変換装置10内で生成してもよい。例えば、DC−DCコンバータ2が太陽電池パネルである場合には、太陽電池パネルの出力電圧と出力電流とから求められる最適動作点の電力を電力指令値として用いてもよい。   The power command value is input to the power conversion apparatus 10 from, for example, a host controller that controls the power system. Each power command value may be generated in the power converter 10. For example, when the DC-DC converter 2 is a solar cell panel, the power at the optimum operating point obtained from the output voltage and output current of the solar cell panel may be used as the power command value.

比較部46は、図3(a)〜図3(d)に関して説明したように、入力された各変調波MWと各キャリア信号CS1〜CS3とを比較する。これにより、比較部46は、各変調波MWと各キャリア信号CS1〜CS3とから各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の制御信号を生成する。制御回路14は、比較部46で生成された各制御信号を各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の制御電極に入力し、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。   As described with reference to FIGS. 3A to 3D, the comparison unit 46 compares the input modulated waves MW with the carrier signals CS1 to CS3. Thereby, the comparison part 46 produces | generates the control signal of each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 from each modulation wave MW and each carrier signal CS1-CS3. The control circuit 14 inputs each control signal generated by the comparison unit 46 to the control electrode of each switching element U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, Y1 to Y3, and each switching element U1 to U3, X1 to X1. Control on / off of X3, V1 to V3, and Y1 to Y3.

図4(a)〜図4(c)は、第1の実施形態に係る電力変換装置10が起動状態から定常運転の状態に遷移する場合の動作波形の例を模式的に示したタイミング図である。
図4(a)は、変調率Rmの時間変化を示す図である。
図4(b)は、DC−DCコンバータ2の出力電圧、すなわち電力変換装置10の入力電圧Vinの時間変化を示す図である。
図4(c)は、切替部24のスイッチ31a,31b,およびスイッチ32a,32bそれぞれのオン・オフの状態の時間変化を示す図である。
FIG. 4A to FIG. 4C are timing diagrams schematically showing examples of operation waveforms when the power conversion device 10 according to the first embodiment transitions from a startup state to a steady operation state. is there.
FIG. 4A is a diagram illustrating a change with time of the modulation rate Rm.
FIG. 4B is a diagram illustrating a time change of the output voltage of the DC-DC converter 2, that is, the input voltage Vin of the power converter 10.
FIG. 4C is a diagram illustrating temporal changes in the on / off states of the switches 31 a and 31 b and the switches 32 a and 32 b of the switching unit 24.

電力変換装置10の起動状態では、電力変換装置10に入力されるDC−DCコンバータ2の出力電圧の波形、すなわち電力変換装置の入力電圧波形61は、有限の時間で立ち上がる。DC−DCコンバータ2の出力電圧の立上り時間tsは、例えばDC−DCコンバータ2の出力に接続される負荷の電力によって決定される。DC−DCコンバータ2の出力に一定の負荷が接続された場合には、DC−DCコンバータ2の出力は、ほぼ一定の立上り時間tsで立ち上がる。   In the startup state of the power conversion device 10, the waveform of the output voltage of the DC-DC converter 2 input to the power conversion device 10, that is, the input voltage waveform 61 of the power conversion device rises in a finite time. The rise time ts of the output voltage of the DC-DC converter 2 is determined by the power of the load connected to the output of the DC-DC converter 2, for example. When a constant load is connected to the output of the DC-DC converter 2, the output of the DC-DC converter 2 rises with a substantially constant rise time ts.

電力変換装置10の入力電圧Vinが規定の入力電圧Vin(max)よりも低い電圧値である場合には、インバータ部21を構成する電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2の両端に印加される電圧も、Vinに応じて低い電圧値となる。   When the input voltage Vin of the power conversion device 10 is lower than the specified input voltage Vin (max), it is applied across the charge storage elements CU1, CU2, CV1, CV2 constituting the inverter unit 21. The voltage also becomes a low voltage value according to Vin.

本実施形態の電力変換装置10では、DC−DCコンバータ2の出力電圧の立上り時間ts内のVinが低い電圧値の期間を利用する。立上り時間tsの期間において、インバータ部21内の電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2を充電することによって、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2の両端電圧は、定格入力電圧Vin(max)における最大両端電圧を超えないようにすることができる。   In the power conversion device 10 of the present embodiment, a period in which Vin is low within the rise time ts of the output voltage of the DC-DC converter 2 is used. By charging the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 in the inverter unit 21 during the rise time ts, the voltage across the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 becomes the rated input voltage Vin (max). It is possible to prevent the voltage across the maximum voltage at.

電力変換装置10は、時刻t0において、起動する。電力変換装置10を起動するには、例えば、DC−DCコンバータ2の制御信号入力端子2cに制御信号を入力することによって、電力変換装置10の入力電圧Vinを上昇させることにより行う。時刻t0では、制御回路14によって、電力変換装置10の変調率Rmは、1に設定される(変調率設定波形63)。   The power conversion device 10 is activated at time t0. The power conversion device 10 is activated by, for example, increasing the input voltage Vin of the power conversion device 10 by inputting a control signal to the control signal input terminal 2c of the DC-DC converter 2. At time t0, the control circuit 14 sets the modulation rate Rm of the power converter 10 to 1 (modulation rate setting waveform 63).

なお、DC−DCコンバータ2の出力電圧の上昇の仕方は、DC−DCコンバータ2の回路方式によって異なる場合がある。降圧回路や昇降圧回路の場合には、DC−DCコンバータ2の出力電圧の波形61は、図4(b)の実線で示すように、ほぼ0Vから上昇する。一方、昇圧回路の場合の出力電圧の波形62は、図4(b)の一点鎖線で示すように、0Vでなく、DC−DCコンバータ2の入力電圧V+付近の電圧から上昇する場合がある。したがって、電力変換装置10の起動時のタイミングの制御については、DC−DCコンバータ2の回路方式を考慮して決定する必要がある。   Note that the manner in which the output voltage of the DC-DC converter 2 increases may vary depending on the circuit system of the DC-DC converter 2. In the case of a step-down circuit or a step-up / step-down circuit, the waveform 61 of the output voltage of the DC-DC converter 2 rises from almost 0 V as shown by the solid line in FIG. On the other hand, the waveform 62 of the output voltage in the case of the booster circuit may rise from a voltage in the vicinity of the input voltage V + of the DC-DC converter 2 instead of 0 V, as indicated by a one-dot chain line in FIG. Therefore, it is necessary to determine the timing control when starting up the power converter 10 in consideration of the circuit system of the DC-DC converter 2.

時刻t0では、図4(c)の負荷側スイッチ状態波形65に示すように、制御回路14によって、切替部24のスイッチ31a,31bはオフに設定される。したがって、負荷4には電流が流れない。また、図4(c)の擬似負荷側スイッチ状態波形64に示すように、制御回路14によって、スイッチ32a,32bは、オンに設定されて、初期充電部25の擬似負荷34に電流が流れるように設定される。   At time t0, as shown in the load side switch state waveform 65 in FIG. 4C, the control circuit 14 sets the switches 31a and 31b of the switching unit 24 to OFF. Therefore, no current flows through the load 4. Further, as shown in the pseudo load side switch state waveform 64 in FIG. 4C, the switches 32a and 32b are turned on by the control circuit 14 so that a current flows through the pseudo load 34 of the initial charging unit 25. Set to

時刻t0〜t1の期間では、DC−DCコンバータ2の出力電圧は、規定の出力電圧(=定格入力電圧Vin(max))で安定化される。したがって、電力変換装置10の起動時間tsは、「t1」である。定格入力電圧は、例えば、330Vである。   In the period from time t0 to t1, the output voltage of the DC-DC converter 2 is stabilized at a specified output voltage (= rated input voltage Vin (max)). Therefore, the activation time ts of the power conversion apparatus 10 is “t1”. The rated input voltage is, for example, 330V.

時刻t0〜t1の期間では、電力変換装置10の入力電圧Vinは、次第に上昇する。したがって、インバータ部21内の電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2は、定格入力電圧Vin(max)よりも低い電圧で充電される。時刻t0〜t1の期間では、電力変換装置10は、定格負荷電流を流す負荷4よりも低い電力を消費する擬似負荷34に電流を流す。そのため、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2を充電する電流が小さくなるので、電荷蓄積素子への充電電流によって発生する電圧は、負荷4に電流を流す場合よりも低くすることができる。電荷蓄積素子に充電される場合の電荷蓄積素子両端の電圧は、CU1,CV1については、例えば、110Vを超えず、CU2,CV2については、例えば220Vを超えない(Vin(max)=330Vの場合)。   In the period from time t0 to t1, the input voltage Vin of the power converter 10 gradually increases. Therefore, the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 in the inverter unit 21 are charged with a voltage lower than the rated input voltage Vin (max). In the period from time t0 to time t1, the power conversion device 10 passes a current to the pseudo load 34 that consumes lower power than the load 4 that flows the rated load current. Therefore, since the current for charging the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 is reduced, the voltage generated by the charge current to the charge storage elements can be made lower than when the current is passed through the load 4. When the charge storage element is charged, the voltage across the charge storage element does not exceed 110V for CU1 and CV1, and does not exceed 220V for CU2 and CV2, for example (when Vin (max) = 330V) ).

時刻t1〜t2の期間では、図4(a)の変調率設定波形63に示すように、制御回路14によって、変調率Rmを次第に低下させて、電力変換装置10の出力電流は、0Aまたはほぼ0Aまで低下される。この期間では、DC−DCコンバータ2の出力は、規定の出力電圧の値、すなわちVin(max)である。また、この期間では、制御回路14によって、切替部24の負荷4側のスイッチ31a,31bはオフされ、擬似負荷34側のスイッチ32a,32bはオン状態とされる。電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2の充電電流は、擬似負荷34に流れる。   During the period from time t1 to time t2, as indicated by the modulation factor setting waveform 63 in FIG. 4A, the modulation factor Rm is gradually reduced by the control circuit 14, and the output current of the power conversion device 10 is 0 A or approximately Reduced to 0A. During this period, the output of the DC-DC converter 2 is a specified output voltage value, that is, Vin (max). During this period, the control circuit 14 turns off the switches 31a and 31b on the load 4 side of the switching unit 24 and turns on the switches 32a and 32b on the pseudo load 34 side. The charging currents of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 flow through the pseudo load 34.

時刻t0〜t2の期間では、切替部24において、初期充電部25の擬似負荷34に電流供給し、インバータ部21内の電荷蓄積素子を充電するので、初期充電フェーズT1と呼ぶこととする。   In the period from time t0 to t2, the switching unit 24 supplies current to the pseudo load 34 of the initial charging unit 25 and charges the charge storage element in the inverter unit 21, and therefore is referred to as an initial charging phase T1.

電力変換装置10の出力電流がほぼ0Aになり、初期充電フェーズT1が完了した後、切替部24のスイッチを切り替える。スイッチ32a,32bは、制御回路14によって、オフに設定されて、電力変換装置10から初期充電部25の擬似負荷34への電流経路が開放される。スイッチ31a,31bは、制御回路14によって、オンに設定されて、負荷4に電流を流す。   After the output current of the power conversion device 10 becomes approximately 0 A and the initial charging phase T1 is completed, the switch of the switching unit 24 is switched. The switches 32a and 32b are turned off by the control circuit 14, and the current path from the power conversion device 10 to the pseudo load 34 of the initial charging unit 25 is opened. The switches 31 a and 31 b are turned on by the control circuit 14 and cause a current to flow through the load 4.

スイッチ31a,31bおよびスイッチ32a,32bが同時にオンすることがないように、時刻t2後の時刻t3で、擬似負荷34側のスイッチ32a,32bはオフされ、時刻t3よりも遅い時刻t3'(t3<t3')で、負荷4側のスイッチ31a,31bはオンされる。上述したように、スイッチ31a,31b,32a,32bとして、MOSFETを用いる場合には、MOSFETの並列接続数が多くなり、寄生入力容量が増大するので、スイッチ31a,31b,32a,32bは、駆動時のスイッチング遅れを十分考慮したタイミングで切り替える必要がある。   At time t3 after time t2, the switches 32a and 32b on the pseudo load 34 side are turned off so that the switches 31a and 31b and the switches 32a and 32b are not turned on at the same time, and the time t3 ′ (t3 later than the time t3). <T3 ′), the switches 31a and 31b on the load 4 side are turned on. As described above, when MOSFETs are used as the switches 31a, 31b, 32a, and 32b, the number of MOSFETs connected in parallel increases, and the parasitic input capacitance increases. Therefore, the switches 31a, 31b, 32a, and 32b are driven. It is necessary to switch at a timing that fully considers the switching delay.

時刻t3,t3'の後、時刻t4では、電力変換装置10は、変調率Rmを0から次第に1に向けて上昇させて、負荷4に交流電力の供給を開始する。   After time t3, t3 ′, at time t4, the power conversion device 10 gradually increases the modulation rate Rm from 0 toward 1 and starts supplying AC power to the load 4.

時刻t4では、電力変換装置10の入力電圧Vinは、定格入力電圧Vin(max)である。また、切替部24の負荷4側のスイッチ31a,31bがオンし、擬似負荷34側のスイッチ32a,32bはオフ状態である。   At time t4, the input voltage Vin of the power conversion device 10 is the rated input voltage Vin (max). Further, the switches 31a and 31b on the load 4 side of the switching unit 24 are turned on, and the switches 32a and 32b on the pseudo load 34 side are in an off state.

時刻t2〜t4の期間では、切替部24において、制御回路14によって、負荷4と擬似負荷34の切替動作を行うので、切替フェーズT2と呼ぶことにする。   In the period from time t2 to time t4, the switching unit 24 performs the switching operation of the load 4 and the pseudo load 34 by the control circuit 14 and is therefore referred to as a switching phase T2.

切替フェーズT2が完了した後には、電力変換装置10は、変調率Rmの調整段階を経由して、定常運転に遷移する。変調率Rmは、制御回路14によって、1に設定される。   After the switching phase T2 is completed, the power conversion device 10 transitions to a steady operation through the adjustment stage of the modulation factor Rm. The modulation factor Rm is set to 1 by the control circuit 14.

t4以降の期間では、電力変換装置10は、出力に切替部24、フィルタ部23、および負荷4を接続した状態で、負荷4に応じた制御動作を制御回路14によって行うので、出力制御フェーズT3と呼ぶことにする。   In the period after t4, the power conversion apparatus 10 performs the control operation according to the load 4 with the switching unit 24, the filter unit 23, and the load 4 connected to the output by the control circuit 14, and therefore the output control phase T3. I will call it.

初期充電フェーズT1および出力制御フェーズT3において、急激な負荷変動を生じさせないために、擬似負荷34や負荷4に供給する電流を次第に変化させる。負荷電流を変化させる方法として、上述では変調率Rmを調整して、スイッチング素子のデューティを制御することによって行うこととしたが、他の方法を用いてももちろんよい。例えば、変調波MWよりも優先してスイッチング素子のデューティを制限するレベル信号が比較部46に入力されるようにしてもよい。その他類似の方法を用いることによって、電力変換装置10の出力電力を調整する回路を構成することができる。   In the initial charging phase T1 and the output control phase T3, the current supplied to the pseudo load 34 and the load 4 is gradually changed so as not to cause a sudden load fluctuation. In the above description, the load current is changed by adjusting the modulation factor Rm and controlling the duty of the switching element. However, other methods may be used. For example, a level signal that limits the duty of the switching element in preference to the modulation wave MW may be input to the comparison unit 46. By using other similar methods, a circuit for adjusting the output power of the power converter 10 can be configured.

DC−DCコンバータ2は、インバータ部21および擬似負荷34によるほぼ一定の電力を消費する負荷に対して起動するので、DC−DCコンバータ2の出力電圧の立上り時間ts(=t1)は、ほぼ一定となる。したがって、例えば、時刻t1,t2,t3,t4をあらかじめ測定等により取得、設定し、プログラムすることによって、上述した動作は、シーケンスとして順次実行される。   Since the DC-DC converter 2 starts up with respect to a load that consumes substantially constant power by the inverter unit 21 and the pseudo load 34, the rise time ts (= t1) of the output voltage of the DC-DC converter 2 is substantially constant. It becomes. Therefore, for example, by acquiring, setting, and programming the times t1, t2, t3, and t4 in advance by measurement or the like, the above-described operations are sequentially executed as a sequence.

切替フェーズT2の場合では、電力変換装置10は、電力変換装置10の出力電流を次第に低下させ、その後、出力制御フェーズT3において、定常運転に切り替えて、出力電流を上昇させる。したがって、電力変換装置10は、負荷切替時の異常電圧発生や、過渡応答状態の整定に多大な時間を要することなくスムーズに起動し、定常運転に遷移することが可能になる。   In the case of the switching phase T2, the power conversion device 10 gradually decreases the output current of the power conversion device 10, and then switches to steady operation and increases the output current in the output control phase T3. Therefore, the power conversion device 10 can start smoothly and transition to steady operation without requiring a great deal of time to generate an abnormal voltage at the time of load switching or to set a transient response state.

太陽光発電や蓄電池の電力系統への導入を見込み、パワーコンディショナシステム(PCS)の開発が進められている。例えば、5〜25kW程度の小容量〜中容量のPCSの開発も進められている。PCSにおいては、高効率電力変換が求められている。   Development of a power conditioner system (PCS) is being promoted in anticipation of the introduction of photovoltaic power generation and storage batteries into the power system. For example, development of a PCS having a small to medium capacity of about 5 to 25 kW is underway. In PCS, high-efficiency power conversion is required.

例えば、家庭向けの小容量のPCSには、高効率化だけでなく、高出力密度化が求められる。そのため、高い効率を維持したまま、体積を小さくする電力変換装置の設計が必要である。マルチレベル電力変換装置を使用することにより、出力波形が正弦波に近づくため、フィルタの体積を小さくできる。   For example, a small-capacity PCS for home use requires not only high efficiency but also high output density. Therefore, it is necessary to design a power converter that reduces the volume while maintaining high efficiency. By using a multi-level power converter, the output waveform approaches a sine wave, so that the volume of the filter can be reduced.

フライングキャパシタ回路方式によって中間電圧を生成する電力変換装置では、一般には、キャリア周波数を高くすることで、中間電圧を維持する電荷蓄積素子の電圧リプルを小さくできる。これにより、電荷蓄積素子の容量を小さくでき、電荷蓄積素子の体積を小さくできるため、高出力密度化につながる。また、マルチレベル電力変換器であるため、スイッチング素子には、素子耐圧の小さいものを用いることが可能である。スイッチング素子の導通抵抗は、耐圧の2乗から2.5乗にほぼ比例するため、低耐圧の素子を用いることで、低損失な電力変換装置を実現できる。最近では、Siに加えて、GaNあるいはSiCを用いたパワーデバイスの発展が目覚ましく、これらのスイッチング素子への応用が可能である。このため、フライングキャパシタ回路方式を用いたマルチレベル電力変換装置の研究・開発が行われている。   In a power conversion device that generates an intermediate voltage by a flying capacitor circuit method, generally, the voltage ripple of the charge storage element that maintains the intermediate voltage can be reduced by increasing the carrier frequency. As a result, the capacity of the charge storage element can be reduced and the volume of the charge storage element can be reduced, leading to higher output density. Moreover, since it is a multilevel power converter, it is possible to use a switching element having a small element withstand voltage. Since the conduction resistance of the switching element is approximately proportional to the square of the breakdown voltage to the 2.5th power, a low-loss power conversion device can be realized by using a low breakdown voltage element. Recently, in addition to Si, power devices using GaN or SiC have been remarkably developed and can be applied to these switching elements. For this reason, research and development of multilevel power converters using a flying capacitor circuit system are being conducted.

こうした背景から、フライングキャパシタ回路方式を用いたマルチレベル電力変換装置によるPCSでは、キャリア周波数を高く、コンデンサ容量を小さくすることで、高出力密度化を達成している。しかしながら、PCSの起動時に、フライングキャパシタ(電荷蓄積素子)やMOSFET等のスイッチング素子に過大な電圧が印加されることを考慮すると、過大な電圧定格を有するスイッチング素子等を用いざるを得ず、定常運転時の損失が増大してしまう。そこで、以上説明したように、本実施形態の電力変換装置では、より低い耐圧の電荷蓄積素子およびスイッチング素子を用いることができるので、高出力密度を維持しつつ、高効率変換を実現することができる。   From such a background, in the PCS by the multilevel power conversion device using the flying capacitor circuit method, high output density is achieved by increasing the carrier frequency and reducing the capacitor capacity. However, considering that an excessive voltage is applied to a switching element such as a flying capacitor (charge storage element) or MOSFET at the time of starting the PCS, a switching element having an excessive voltage rating must be used, Loss during operation increases. Therefore, as described above, the power conversion device according to the present embodiment can use charge storage elements and switching elements having lower withstand voltages, so that high-efficiency conversion can be realized while maintaining high output density. it can.

(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態に係る電力変換装置を模式的に示すブロック図である。
図5に示すように、電力変換装置10aの主回路12aでは、第1レグLG1が、第1電圧検出部51Uと、第2電圧検出部52Uと、をさらに含む。第1電圧検出部51Uは、第1電荷蓄積素子CU1の電圧Vcu1を検出する。第2電圧検出部52Uは、第2電荷蓄積素子CU2の電圧Vcu2を検出する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram schematically showing the power conversion device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 5, in the main circuit 12a of the power conversion device 10a, the first leg LG1 further includes a first voltage detection unit 51U and a second voltage detection unit 52U. The first voltage detector 51U detects the voltage Vcu1 of the first charge storage element CU1. The second voltage detector 52U detects the voltage Vcu2 of the second charge storage element CU2.

同様に、第2レグLG2は、第1電圧検出部51Vと、第2電圧検出部52Vと、をさらに含む。第1電圧検出部51Vは、第1電荷蓄積素子CV1の電圧Vcv1を検出する。第2電圧検出部52Vは、第2電荷蓄積素子CV2の電圧Vcv2を検出する。   Similarly, the second leg LG2 further includes a first voltage detection unit 51V and a second voltage detection unit 52V. The first voltage detector 51V detects the voltage Vcv1 of the first charge storage element CV1. The second voltage detector 52V detects the voltage Vcv2 of the second charge storage element CV2.

第1電圧検出部51Uは、例えば、第1電荷蓄積素子CU1に対して並列に接続された抵抗素子である。第1電圧検出部51Uは、これに限ることなく、第1電荷蓄積素子CU1の電圧を検出可能な任意の構成でよい。各電圧検出部51V、52U、52Vは、第1電圧検出部51Uと実質的に同じであるから、説明を省略する。   The first voltage detection unit 51U is, for example, a resistance element connected in parallel to the first charge storage element CU1. The first voltage detector 51U is not limited to this, and may have any configuration that can detect the voltage of the first charge storage element CU1. Since each voltage detection part 51V, 52U, 52V is substantially the same as the 1st voltage detection part 51U, description is abbreviate | omitted.

電力変換装置10aでは、制御回路14aは、電圧制御部47をさらに含む。電圧制御部47は、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vのそれぞれと接続されている。電圧制御部47は、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vから各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を取得する。電圧制御部47は、変調波生成部45に接続されている。電圧制御部47は、取得した各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を変調波生成部45に入力する。   In the power conversion device 10a, the control circuit 14a further includes a voltage control unit 47. The voltage control unit 47 is connected to each of the voltage detection units 51U, 51V, 52U, and 52V. The voltage control unit 47 acquires the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 from the voltage detection units 51U, 51V, 52U, and 52V. The voltage controller 47 is connected to the modulated wave generator 45. The voltage control unit 47 inputs the acquired voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 to the modulated wave generation unit 45.

変調波生成部45は、バス18を介して制御部41で取得された出力電力の検出値、電力指令値、および、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を基に、各レグLG1、LG2の変調波MWを生成する。変調波生成部45は、例えば、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2が実質的に一定になるように、各レグLG1、LG2の変調波MWを生成する。   The modulated wave generating unit 45 is based on the detected value of the output power, the power command value, and the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 acquired by the control unit 41 via the bus 18, and outputs the leg LG1 and LG2. A modulated wave MW is generated. For example, the modulation wave generator 45 generates the modulation waves MW of the legs LG1 and LG2 so that the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 are substantially constant. Generate.

各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2は、負荷4の条件や各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の状態によって変化する場合がある。   The voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 vary depending on the conditions of the load 4 and the states of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3. There is a case.

この例では、制御回路14aが、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vの検出結果を基に、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を制御する。したがって、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2両端電圧は、直接測定されることによって検出される。電圧制御部47は、例えば、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2が規定の電圧値に近づいてきた場合には、変調率Rmを低減して電荷蓄積素子の充電電流を実質的に低下させるように、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。   In this example, the control circuit 14a controls the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 based on the detection results of the voltage detectors 51U, 51V, 52U, and 52V. Therefore, the voltage across the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 is detected by directly measuring. For example, when each of the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 approaches a specified voltage value, the voltage control unit 47 reduces the modulation rate Rm to substantially reduce the charging current of the charge storage element. In addition, the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 are controlled to be turned on / off.

なお、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の電圧の定常運転の状態における制御方法については、例えば、「IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.59, NO.2, FEBRUARY 2012 Active Capacitor Voltage Balancing in Single-Phase Flying-Capacitor Multilevel Power Converters」の論文などに詳細に記載されている。   For example, “IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.59, NO. .2, FEBRUARY 2012 Active Capacitor Voltage Balancing in Single-Phase Flying-Capacitor Multilevel Power Converters ”.

各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の制御を行うことなく、例えば、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vのように、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2のそれぞれに抵抗素子を並列に接続してもよい。これにより、例えば、抵抗素子を設けない場合に比べて、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の変動を抑制することができる。各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を安定化させることができるので、電力変換装置10bは、起動状態においても安全に動作させることができる。抵抗素子は、例えば、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2などに対して、直列に接続してもよい。   Without controlling the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2, for example, the charge storage elements CU1 as in the voltage detection units 51U, 51V, 52U, and 52V , CU2, CV1, and CV2 may be connected in parallel with resistive elements. Thereby, for example, fluctuations in the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 can be suppressed as compared with the case where no resistance element is provided. Since each voltage Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 can be stabilized, the power conversion device 10b can be safely operated even in the activated state. The resistance element may be connected in series to each of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, CV2, and the like, for example.

この第2の実施形態では、電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2の両端の電圧を直接検出して、検出した結果に基づいてインバータ部21aの制御を行うことができる。電荷蓄積素子CU1,CU2,CV1,CV2の両端電圧を検出して電圧値が高い場合には、スイッチング素子の駆動デューティを低下させることによって、電荷蓄積素子が過大に充電されるのを防ぐことができる。そのため、電力変換装置10は、より安全に起動させることができる。   In the second embodiment, the voltage across the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 can be directly detected, and the inverter unit 21a can be controlled based on the detected result. When the voltage across the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 is detected and the voltage value is high, it is possible to prevent the charge storage element from being overcharged by reducing the drive duty of the switching element. it can. Therefore, the power converter device 10 can be started more safely.

(第3の実施形態)
図6は、第3の実施形態に係る電力変換装置を模式的に示すブロック図である。
図6に示すように、電力変換装置10bの主回路12bでは、第2実施形態と同様に、第1レグLG1が第1電圧検出部51Uと、第2電圧検出部52Uと、を含み、第2レグが第1電圧検出部51Vと、第2電圧検出部52Vと、を含む。第1レグLG1の第1電圧検出部51Uおよび第2電圧検出部52Uは、第1電荷蓄積部CU1の電圧Vcu1および第2電荷蓄積部CU2の電圧Vcu2をそれぞれ検出する。第2レグLG2の第1電圧検出部51Vおよび第2電圧検出部52Vは、第1電荷蓄積部CV1の電圧Vcv1および第2電荷蓄積部CV2の電圧Vcv2をそれぞれ検出する。第1電圧検出部51U,51Vおよび第2電圧検出部52U,52Vは、例えば抵抗素子である。また、電力変換装置10bの主回路12bには、U相出力21UおよびV相出力21Vのそれぞれの出力電流Iu,Ivを検出する第1電流検出部53Uおよび第2電流検出部53Vを含む。第1電流検出部53Uおよび第2電流検出部53Vは、例えばホール素子である。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a block diagram schematically illustrating a power conversion apparatus according to the third embodiment.
As shown in FIG. 6, in the main circuit 12b of the power conversion device 10b, the first leg LG1 includes a first voltage detection unit 51U and a second voltage detection unit 52U, as in the second embodiment, The two legs include a first voltage detector 51V and a second voltage detector 52V. The first voltage detector 51U and the second voltage detector 52U of the first leg LG1 detect the voltage Vcu1 of the first charge accumulation unit CU1 and the voltage Vcu2 of the second charge accumulation unit CU2, respectively. The first voltage detector 51V and the second voltage detector 52V of the second leg LG2 detect the voltage Vcv1 of the first charge storage unit CV1 and the voltage Vcv2 of the second charge storage unit CV2, respectively. The first voltage detectors 51U and 51V and the second voltage detectors 52U and 52V are, for example, resistance elements. The main circuit 12b of the power conversion device 10b includes a first current detection unit 53U and a second current detection unit 53V that detect output currents Iu and Iv of the U-phase output 21U and the V-phase output 21V, respectively. The first current detector 53U and the second current detector 53V are, for example, Hall elements.

制御回路14bは、電圧監視部48と、電流監視部49と、を含む。電圧監視部48は、第1電圧検出部51U,51Vおよび第2電圧検出部52U,52Vからの検出電圧を入力して、電圧Vcu1,Vcu2,Vcv1,Vcv2が所定の範囲にあるか否かを監視する。より具体的には、電圧監視部48は、過電圧レベルを検出するための過電圧しきい値Vt(OV)と、低電圧レベルを検出するための低電圧しきい値Vt(LV)と、を有する。電圧監視部48は、例えば、入力される電圧がVt(LV)〜Vt(OV)の範囲にある場合には、「H」(ハイレベル)を出力する。電圧監視部48は、入力される電圧がVt(LV)を下回るか、Vt(OV)超えた場合に、「L」(ローレベル)を出力する。   The control circuit 14 b includes a voltage monitoring unit 48 and a current monitoring unit 49. The voltage monitoring unit 48 receives detection voltages from the first voltage detection units 51U and 51V and the second voltage detection units 52U and 52V, and determines whether or not the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 are within a predetermined range. Monitor. More specifically, the voltage monitoring unit 48 has an overvoltage threshold Vt (OV) for detecting the overvoltage level and a low voltage threshold Vt (LV) for detecting the low voltage level. . For example, when the input voltage is in the range of Vt (LV) to Vt (OV), the voltage monitoring unit 48 outputs “H” (high level). The voltage monitoring unit 48 outputs “L” (low level) when the input voltage falls below Vt (LV) or exceeds Vt (OV).

電流監視部49は、第1電流検出部53Uおよび第2電流検出部53Vによって検出された電流値Iu,Ivが入力される。電流監視部49は、検出されたU相およびV相の電流値Iu,Ivがそれぞれ所定値以下であるか否か監視する。より具体的には、電流監視部49は、過電流を検出するための過電流しきい値It(OC)を有する。電流監視部49は、例えば、検出した電流がIt(OC)以下の場合には、「H」(ハイレベル)を出力し、It(OC)を超えた場合に「L」(ローレベル)を出力する。   The current monitoring unit 49 receives the current values Iu and Iv detected by the first current detection unit 53U and the second current detection unit 53V. The current monitoring unit 49 monitors whether or not the detected U-phase and V-phase current values Iu and Iv are each equal to or less than a predetermined value. More specifically, the current monitoring unit 49 has an overcurrent threshold It (OC) for detecting an overcurrent. For example, the current monitoring unit 49 outputs “H” (high level) when the detected current is equal to or less than It (OC), and outputs “L” (low level) when it exceeds It (OC). Output.

制御回路14bは、AND回路50を含む。AND回路50は、電圧監視部48の出力および電流監視部49の出力が入力され、これらの出力の論理積を出力する。すなわち、電圧監視部48の出力および電流監視部49の出力のいずれもが「H」の場合に、「H」を出力し、電圧監視部48の出力および電流監視部49の出力の少なくとも一方が「L」となった場合に、「L」を出力する。AND回路50の出力には、ラッチ回路を含み、出力が「L」の状態においてその状態でラッチして、「L」状態を維持できるようにしてもよい。AND回路50の出力は、比較部46のイネーブル入力に接続される。比較部46のイネーブル入力は、「H」が入力される場合に、キャリア生成部44および変調波生成部45からの入力の応じたPWM制御のための信号を生成する。比較部46のイネーブル入力に「L」が入力された場合には、キャリア生成部44および変調波生成部45からの入力にかかわらず、PWM制御を停止し、インバータ部21bのすべてのスイッチング素子をオフにする。なお、上述の論理ゲートの構成は、これに限らず任意に設定できる。例えば、過電圧または過電流を検出した場合に、電圧監視部48および電流監視部49が「H」レベルの信号を出力し、これらのORをとって反転し、比較部46のイネーブル入力および制御信号入力端子2cに入力するようにしてもよい。   The control circuit 14b includes an AND circuit 50. The AND circuit 50 receives the output of the voltage monitoring unit 48 and the output of the current monitoring unit 49, and outputs a logical product of these outputs. That is, when both the output of the voltage monitoring unit 48 and the output of the current monitoring unit 49 are “H”, “H” is output, and at least one of the output of the voltage monitoring unit 48 and the output of the current monitoring unit 49 is When it becomes “L”, “L” is output. The output of the AND circuit 50 may include a latch circuit, and the output may be latched in that state when the output is in the “L” state so that the “L” state can be maintained. The output of the AND circuit 50 is connected to the enable input of the comparison unit 46. The enable input of the comparison unit 46 generates a signal for PWM control according to the input from the carrier generation unit 44 and the modulation wave generation unit 45 when “H” is input. When “L” is input to the enable input of the comparison unit 46, the PWM control is stopped regardless of the inputs from the carrier generation unit 44 and the modulation wave generation unit 45, and all the switching elements of the inverter unit 21b are turned on. Turn off. The configuration of the above-described logic gate is not limited to this, and can be arbitrarily set. For example, when an overvoltage or overcurrent is detected, the voltage monitoring unit 48 and the current monitoring unit 49 output an “H” level signal, invert these signals and invert them, and enable the control unit 46 to enable input and control signals. You may make it input into the input terminal 2c.

第3の実施形態について、電力変換装置10bの動作を説明する。第3の実施形態に係る電力変換装置10bでは、スイッチング素子や電荷蓄積素子等の破損等の不具合が生じた場合に、電力変換装置10bの動作を安全に停止する。   About 3rd Embodiment, operation | movement of the power converter device 10b is demonstrated. In the power conversion device 10b according to the third embodiment, the operation of the power conversion device 10b is safely stopped when a failure such as breakage of a switching element or a charge storage element occurs.

まず、インバータ部21bのスイッチング素子が破損した場合について考える。スイッチング素子が破損し、オープンモードとなったときには、第1電圧検出部51U,51Vおよび第2電圧検出部52U,52Vで検出する電圧のうち少なくとも1つで電圧が低下し、または電圧が上昇する。電圧監視部48は、これらの異常電圧を、過電圧しきい値Vt(OV)を超えたか、低電圧しきい値Vt(LV)を下回ったかにより検出して、「L」を出力する。比較部46のイネーブル入力には「L」が入力されるので、キャリア生成部44および変調波生成部45からの入力にかかわらず、比較部46は、各スイッチング素子をオフさせる。AND回路50の出力は、DC−DCコンバータ2の制御信号入力端子2cにも接続されているので、「L」信号の入力によってDC−DCコンバータ2は、動作を停止する。   First, consider a case where the switching element of the inverter unit 21b is damaged. When the switching element is damaged and enters the open mode, the voltage decreases or increases at least one of the voltages detected by the first voltage detection units 51U and 51V and the second voltage detection units 52U and 52V. . The voltage monitoring unit 48 detects these abnormal voltages depending on whether the overvoltage threshold Vt (OV) is exceeded or below the low voltage threshold Vt (LV), and outputs “L”. Since “L” is input to the enable input of the comparison unit 46, the comparison unit 46 turns off each switching element regardless of the inputs from the carrier generation unit 44 and the modulated wave generation unit 45. Since the output of the AND circuit 50 is also connected to the control signal input terminal 2c of the DC-DC converter 2, the operation of the DC-DC converter 2 is stopped by the input of the “L” signal.

スイッチング素子がショートモードで破壊した場合にも、第1電圧検出部51U,51Vおよび第2電圧検出部52U,52Vにおいて検出する電圧のうち少なくとも1つで電圧が低下し、または電圧が上昇する。そのため、電圧監視部48は、「L」を出力する。あるいは、第1電流検出部53Uおよび第2電流検出部53Vによって、しきい値を超える電流を検出することができ、電流監視部49は、「L」を出力する。電圧監視部48および電流監視部49の少なくとも一方が、「L」を出力することによって、比較部46のイネーブル入力を介してすべてのスイッチング素子がオフされる。また、DC−DCコンバータ2も、制御信号入力端子2cが「L」となるので、動作停止する。   Even when the switching element is broken in the short mode, the voltage is decreased or increased by at least one of the voltages detected by the first voltage detection units 51U and 51V and the second voltage detection units 52U and 52V. Therefore, the voltage monitoring unit 48 outputs “L”. Alternatively, the first current detection unit 53U and the second current detection unit 53V can detect a current exceeding the threshold value, and the current monitoring unit 49 outputs “L”. When at least one of the voltage monitoring unit 48 and the current monitoring unit 49 outputs “L”, all the switching elements are turned off via the enable input of the comparison unit 46. The DC-DC converter 2 also stops operating because the control signal input terminal 2c becomes “L”.

次に電荷蓄積素子が破損した場合について考える。電荷蓄積素子が、オープンモードあるいはショートモードで破壊された場合も上述と同様に、電圧監視部48および/または電流監視部49のしきい値を超える電圧・電流が検出された場合に、電圧監視部48および電流監視部49のうち少なくとも一方が「L」を出力するので、AND回路50は「L」を出力する。そのため、スイッチング素子はすべてオフし、DC−DCコンバータ2は動作停止する。   Next, consider the case where the charge storage element is damaged. When the charge storage element is destroyed in the open mode or the short mode, the voltage monitoring is performed when a voltage / current exceeding the threshold value of the voltage monitoring unit 48 and / or the current monitoring unit 49 is detected as described above. Since at least one of the unit 48 and the current monitoring unit 49 outputs “L”, the AND circuit 50 outputs “L”. Therefore, all the switching elements are turned off, and the DC-DC converter 2 stops operating.

上述のように、電力変換装置10bでは、内部の素子の破損等の不具合が生じた場合に、所定のしきい値を有する電圧監視部48および電流監視部49を含むことによって、しきい値を超える、あるいは下回った場合に、スイッチング素子をオフして電力変換装置10bを保護することができる。この場合に、電力変換装置10bの入力に接続されるDC−DCコンバータ2の動作を停止させるので、ショートモードで破損したスイッチング素子等に流れる電流を遮断することができ、より安全に電力変換装置10bを保護することができる。電荷蓄積素子として小型形状のセラミックコンデンサを用いることによって高密度実装が可能となり、高出力密度化に貢献するが、本実施形態の電力変換装置10bでは、セラミックコンデンサがショートモードで破損した場合にも、安全の保護をすることができる。   As described above, the power conversion device 10b includes the voltage monitoring unit 48 and the current monitoring unit 49 having a predetermined threshold value in the event of a malfunction such as damage to an internal element, thereby setting the threshold value. When it exceeds or falls below, the switching element can be turned off to protect the power converter 10b. In this case, since the operation of the DC-DC converter 2 connected to the input of the power converter 10b is stopped, the current flowing through the switching element damaged in the short mode can be cut off, and the power converter can be more safely performed. 10b can be protected. The use of a small-sized ceramic capacitor as the charge storage element enables high-density mounting and contributes to a higher output density. However, in the power conversion device 10b of this embodiment, even when the ceramic capacitor is damaged in the short mode. , Can be safe protection.

電力変換装置10b自体ではなく、負荷4に異常が生じた場合、例えば、電力変換装置10bと負荷4との接続線が開放された場合や、短絡された場合、あるいは、負荷4の不具合により電力変換装置10bの負荷端が開放または短絡された場合であっても、上述と同様に、電力変換装置10bを安全に保護することができる。   When an abnormality occurs in the load 4 instead of the power conversion device 10b itself, for example, when the connection line between the power conversion device 10b and the load 4 is opened, short-circuited, or due to a malfunction of the load 4, Even when the load end of the converter 10b is opened or short-circuited, the power converter 10b can be safely protected as described above.

なお、上述では、制御回路14bが電圧監視部48および電流監視部49を個別に有するのものとしたが、例えば、電圧監視部48のしきい値を電圧制御部47にもたせて、電圧制御部47に電圧監視部48の機能を兼用させるようにしてもよい。また、電圧監視部48や電流監視部49で検出された過電圧状態や過電流状態において、スイッチング素子の動作を停止させることができればよく、比較部46の動作を停止させる場合に限らず、キャリア生成部44の出力を停止する等によってもしてもよい。また、電圧監視部48および電流監視部49の出力論理値は、上述の場合に限らず、逆の論理値であってもよく、他の論理回路の構成によって実現されてもよい。   In the above description, the control circuit 14b has the voltage monitoring unit 48 and the current monitoring unit 49 separately. For example, the voltage control unit 47 is provided with the threshold value of the voltage monitoring unit 48, and the voltage control unit 47 47 may be used also as the function of the voltage monitoring unit 48. In addition, it is only necessary that the operation of the switching element can be stopped in the overvoltage state or the overcurrent state detected by the voltage monitoring unit 48 or the current monitoring unit 49, and the carrier generation is not limited to the case where the operation of the comparison unit 46 is stopped. The output of the unit 44 may be stopped. Further, the output logic values of the voltage monitoring unit 48 and the current monitoring unit 49 are not limited to those described above, and may be opposite logic values or may be realized by other logic circuit configurations.

実施形態によれば、高出力密度で高効率な電力変換装置が提供される。   According to the embodiment, a high-power density and high-efficiency power conversion device is provided.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電力変換装置に含まれる、インバータ部、フィルタ部、主回路、高電位側の入力端子、低電位側の入力端子、レグ、第1上側スイッチング素子、第2上側スイッチング素子、第1下側スイッチング素子、第2下側スイッチング素子、電荷蓄積素子、切替部、初期充電部、制御回路、制御部、切替スイッチ駆動部、周波数決定部、電圧検出部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, an inverter unit, a filter unit, a main circuit, a high potential side input terminal, a low potential side input terminal, a leg, a first upper switching element, a second upper switching element, and a first lower side included in the power conversion device Regarding the specific configuration of each element such as the switching element, the second lower switching element, the charge storage element, the switching unit, the initial charging unit, the control circuit, the control unit, the changeover switch driving unit, the frequency determining unit, and the voltage detecting unit As long as a person skilled in the art can carry out the present invention by appropriately selecting from the well-known ranges and obtain the same effect, it is included in the scope of the present invention.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した電力変換装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得るすべての電力変換装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all power conversion devices that can be implemented by a person skilled in the art based on the above-described power conversion device as an embodiment of the present invention are included in the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. Belonging to.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 発電装置、2 DC−DCコンバータ、2a,2b 出力端子、2c 制御信号入力端子、4 負荷、10,10a,10b 電力変換装置、12,12a,12b 主回路、14,14a,14b 制御回路、16 メモリ、18 バス、20a,20b インバータ入力端子、21,21a,21b インバータ部、21U,21V 出力、23 フィルタ部、24 切替部、25 初期充電部、36,37 ノード、41 制御部、42 切替スイッチ駆動部、43 周波数決定部、44 キャリア生成部、45 変調波生成部、46 比較部、47 電圧制御部、48 電圧監視部、49 電流監視部、51U,51V,52U,52V 電圧検出部(抵抗素子)、53U,53V 電流検出部、61,62 入力電圧波形、63 変調率設定波形、64 擬似負荷側スイッチ状態波形、65 負荷側スイッチ状態波形、CS1〜CS3 キャリア信号、CU1,CU2,CV1,CV2 電荷蓄積素子、LG1,LG2 レグ、LA1,LA2,UA1,UA2 アーム、MW 変調波、t0〜t4 時刻、ts 起動時間、T1 初期充電フェーズ、T2 切替フェーズ、T3 出力制御フェーズ、U1〜U3,V1〜V3,X1〜X3,Y1〜Y3 スイッチング素子、V+ DC−DCコンバータ入力電圧
1 power generator, 2 DC-DC converter, 2a, 2b output terminal, 2c control signal input terminal, 4 load, 10, 10a, 10b power converter, 12, 12a, 12b main circuit, 14, 14a, 14b control circuit, 16 memory, 18 bus, 20a, 20b inverter input terminal, 21, 21a, 21b inverter unit, 21U, 21V output, 23 filter unit, 24 switching unit, 25 initial charging unit, 36, 37 node, 41 control unit, 42 switching Switch drive unit, 43 Frequency determination unit, 44 Carrier generation unit, 45 Modulated wave generation unit, 46 Comparison unit, 47 Voltage control unit, 48 Voltage monitoring unit, 49 Current monitoring unit, 51U, 51V, 52U, 52V Voltage detection unit ( Resistance element), 53U, 53V current detector, 61, 62 input voltage waveform, 63 modulation factor setting waveform, 64 pseudo load side switch H state waveform, 65 load side switch state waveform, CS1 to CS3 carrier signal, CU1, CU2, CV1, CV2 charge storage element, LG1, LG2 leg, LA1, LA2, UA1, UA2 arm, MW modulation wave, t0 to t4 time , Ts start-up time, T1 initial charge phase, T2 switching phase, T3 output control phase, U1-U3, V1-V3, X1-X3, Y1-Y3 switching element, V + DC-DC converter input voltage

Claims (8)

直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ部であって、
前記直流電源の高電位出力に接続される第1入力端子と、
前記直流電源の低電位出力に接続される第2入力端子と、
前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に接続される複数のレグと、
を含み、
前記複数のレグのそれぞれは、
前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に接続された第1上側スイッチング素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記第1入力端子との間に接続された第2上側スイッチング素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記第2入力端子との間に接続された第1下側スイッチング素子と、
前記第1下側スイッチング素子と前記第2入力端子との間に接続された第2下側スイッチング素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記第2上側スイッチング素子との間に接続された一端と、前記第1下側スイッチング素子と前記第2下側スイッチング素子との間に接続された他端と、を有する電荷蓄積素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記第1下側スイッチング素子との間に接続される出力端子と、
を含む
インバータ部と、
前記出力端子と負荷との間に接続され、前記交流電力の高調波成分を抑制して前記負荷に出力するフィルタ部と、
前記負荷と並列に接続され、前記直流電源が起動した後、所定の期間では、前記電荷蓄積素子を充電する初期充電部と、
前記出力端子と前記負荷との間で、前記フィルタ部と直列に接続され、前記所定の期間の経過の後に、前記初期充電部に流れる電流の経路を切断し、前記負荷に電流を流す切替部と、
前記所定の期間の開始および経過を判断して、前記初期充電部に流れる電流の経路と前記負荷に流れる電流の経路とを切り替えるとともに、前記複数のレグごとに設定される複数の変調波と、前記複数のレグの前記第1上側スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のそれぞれに設定される複数のキャリア信号と、を基に、前記第1上側スイッチング素子、前記第2上側スイッチング素子、前記第1下側スイッチング素子および前記第2下側スイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
An inverter unit that converts DC power supplied from a DC power source into AC power,
A first input terminal connected to the high potential output of the DC power supply;
A second input terminal connected to the low potential output of the DC power supply;
A plurality of legs connected between the first input terminal and the second input terminal;
Including
Each of the plurality of legs is
A first upper switching element connected between the first input terminal and the second input terminal;
A second upper switching element connected between the first upper switching element and the first input terminal;
A first lower switching element connected between the first upper switching element and the second input terminal;
A second lower switching element connected between the first lower switching element and the second input terminal;
One end connected between the first upper switching element and the second upper switching element and the other end connected between the first lower switching element and the second lower switching element. A charge storage device having
An output terminal connected between the first upper switching element and the first lower switching element;
Including an inverter unit,
A filter unit connected between the output terminal and a load, and suppressing a harmonic component of the AC power and outputting the load to the load;
An initial charging unit that is connected in parallel with the load and charges the charge storage element in a predetermined period after the DC power supply is activated,
A switching unit that is connected in series with the filter unit between the output terminal and the load, cuts off a path of a current flowing through the initial charging unit after the predetermined period, and flows a current through the load When,
Judging the start and progress of the predetermined period, switching the current path flowing through the initial charging unit and the current path flowing through the load, and a plurality of modulation waves set for each of the plurality of legs, Based on the plurality of carrier signals set in each of the first upper switching element and the second switching element of the plurality of legs, the first upper switching element, the second upper switching element, the first A control circuit for controlling on / off of the lower switching element and the second lower switching element;
The power converter provided with.
前記所定の期間は、前記直流電源が起動した後、前記第1入力端子と前記第2入力端子との間の入力電圧が定格入力電圧に達するまでの期間を含む請求項1記載の電力変換装置。   2. The power converter according to claim 1, wherein the predetermined period includes a period until an input voltage between the first input terminal and the second input terminal reaches a rated input voltage after the DC power supply is activated. . 前記初期充電部は、前記負荷よりも低い電力を消費する抵抗素子を有する擬似負荷を含み、
前記切替部は、前記負荷と前記擬似負荷とを並列接続するノードと、前記負荷と、の間に接続される第1スイッチと、前記ノードと、前記擬似負荷と、の間に接続される第2スイッチと、を含み、
前記制御回路は、前記所定の期間では、前記負荷に電力を供給しないように第1スイッチを開放し、前記第2スイッチを閉じて前記擬似負荷に電力を供給し、前記所定の期間の経過の後に、前記第2スイッチを開放し、前記第1スイッチを閉じる請求項1または2に記載の電力変換装置。
The initial charging unit includes a pseudo load having a resistance element that consumes lower power than the load;
The switching unit includes a node connected in parallel to the load and the pseudo load, a first switch connected between the load, a first switch connected between the node and the pseudo load. 2 switches, and
In the predetermined period, the control circuit opens the first switch so as not to supply power to the load, closes the second switch, supplies power to the pseudo load, and passes the predetermined period. The power converter according to claim 1 or 2, wherein the second switch is opened later and the first switch is closed.
前記制御回路は、前記所定の経過の後に、すべてのスイッチング素子のスイッチング動作を制限し、前記第2スイッチを開放し、前記第1スイッチを閉じた後、すべてのスイッチング素子のスイッチング動作の制限を解除して前記負荷へ電力供給を開始する請求項3記載の電力変換装置。   The control circuit restricts the switching operation of all the switching elements after the predetermined time, opens the second switch, closes the first switch, and restricts the switching operation of all the switching elements. The power conversion device according to claim 3, wherein the power conversion device is released and power supply to the load is started. 前記第1スイッチおよび前記第2スイッチは、MOSFETを含み、前記MOSFETは、複数個並列接続される請求項3または4に記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 3 or 4, wherein the first switch and the second switch include MOSFETs, and a plurality of the MOSFETs are connected in parallel. 前記複数のレグのそれぞれは、前記電荷蓄積素子の電圧を検出する電圧検出部をさらに含み、
前記制御部は、前記複数のレグのそれぞれの前記電圧検出部の検出結果を基に、前記複数のレグのそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧を制御する請求項1〜5のいずれか1つに記載の電力変換装置。
Each of the plurality of legs further includes a voltage detection unit that detects a voltage of the charge storage element,
6. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls a voltage of the charge storage element of each of the plurality of legs based on a detection result of the voltage detection unit of each of the plurality of legs. The power converter described.
前記複数のレグのそれぞれは、前記電荷蓄積素子に接続された抵抗素子をさらに含む請求項1〜5のいずれか1つに記載の電力変換装置。   6. The power conversion device according to claim 1, wherein each of the plurality of legs further includes a resistance element connected to the charge storage element. 前記直流電源をさらに備え、
前記直流電源は、出力電圧を生成する動作を行い、または出力電圧を生成する動作を停止するための信号を入力する制御信号入力端子を含み、
前記インバータ部は、前記出力端子と前記負荷との間に接続され、前記出力端子に流れる電流を検出する電流検出部を含み、
前記制御回路は、あらかじめ設定された第1しきい値を有し、前記第1しきい値と前記電圧検出部の検出電圧とを比較し、前記検出電圧が前記第1しきい値よりも大きいときに、前記直流電源を停止させる第1停止信号を出力する電圧監視部と、あらかじめ設定された第2しきい値を有し、前記第2しきい値と、前記電流検出部で検出された検出電流とを比較し、前記検出電流が前記第2しきい値よりも大きいときに、前記直流電源を停止させる第2停止信号を出力する電流監視部と、を含み、
前記第1停止信号または前記第2停止信号のうちの少なくとも一方は、前記制御信号入力端子に入力される請求項6または7に記載の電力変換装置。

Further comprising the DC power supply,
The DC power source includes a control signal input terminal for inputting a signal for performing an operation of generating an output voltage or stopping an operation of generating an output voltage,
The inverter unit includes a current detection unit that is connected between the output terminal and the load and detects a current flowing through the output terminal;
The control circuit has a preset first threshold value, compares the first threshold value with a detection voltage of the voltage detection unit, and the detection voltage is larger than the first threshold value. A voltage monitoring unit that outputs a first stop signal for stopping the DC power supply, a second threshold value set in advance, and detected by the second threshold value and the current detection unit A current monitoring unit that compares a detected current and outputs a second stop signal that stops the DC power supply when the detected current is larger than the second threshold value;
The power converter according to claim 6 or 7, wherein at least one of the first stop signal and the second stop signal is input to the control signal input terminal.

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