JP2016208770A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光発電システムや燃料電池発電システムなどの発電システムに用いられるパワーコンディショナとして好適に実施できる電力変換器に関する。 The present invention relates to a power converter that can be suitably implemented as a power conditioner used in a power generation system such as a solar power generation system or a fuel cell power generation system.
下記の特許文献1には、三相インバータ装置などの電力変換器に使用される半導体スイッチング素子の通電に伴う瞬間的な温度上昇を確実に検出することを目的として、半導体スイッチング素子と一体に設けられその半導体スイッチング素子の両端に逆並列接続された環流ダイオードと、この環流ダイオードの順方向電流を検出する電流検出手段と、環流ダイオードの順方向電圧を検出する電圧検出手段と、電流検出手段及び電圧検出手段により検出された順方向電流及び順方向電圧の値に基づいて環流ダイオードの温度を推定する温度推定手段とを設けた電力変換器が開示されている。
The following
この従来の電力変換器においては、明細書段落番号0031〜0036に記載されているように、インバータブリッジ回路のすべてのスイッチング素子(IGBT)のオフ時のモードDにおける環流ダイオードの順方向電圧VFのピーク電圧を検出するとともに、該ピーク時の環流ダイオードの順方向電流IFをサンプルホールドし、検出された順方向電流IFと順方向電圧VFとから、環流ダイオードの温度に応じた電流電圧特性のデータに基づいて、対応する温度のカーブに当てはめてそのときの温度のデータを求め、得られた温度データの値をD/A変換器を介してアナログ信号に変換し、環流ダイオードの温度に比例した直流電圧信号を推定温度信号として出力している。 In this conventional power converter, as described in the paragraph numbers 0031 to 0036 of the specification, the forward voltage VF of the freewheeling diode in the mode D when all the switching elements (IGBTs) of the inverter bridge circuit are off is set. The peak voltage is detected, the forward current IF of the freewheeling diode at the peak is sampled and held, and data of current-voltage characteristics according to the temperature of the freewheeling diode is detected from the detected forward current IF and forward voltage VF. Is applied to the corresponding temperature curve to obtain the temperature data at that time, and the value of the obtained temperature data is converted into an analog signal via the D / A converter, and is proportional to the temperature of the freewheeling diode. A DC voltage signal is output as an estimated temperature signal.
しかし、順方向電流IF及び順方向電圧VFの検出値にはスイッチング動作等に伴う各種ノイズ成分が含まれるため、これら2つの変数に基づく温度の推定は誤差が大きくなり、正確な温度を判定することができない。 However, since the detected values of the forward current IF and the forward voltage VF include various noise components associated with the switching operation or the like, the temperature estimation based on these two variables has a large error, and an accurate temperature is determined. I can't.
そこで、本発明は、より正確に半導体スイッチング素子の温度を判定することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to more accurately determine the temperature of a semiconductor switching element.
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。 In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means.
すなわち、本発明は、半導体スイッチング素子および該半導体スイッチング素子と一体に設けられたダイオードを備える電力変換回路と、該電力変換回路に所定の電力変換動作を行わせるべく前記半導体スイッチング素子を周期的にオン/オフ制御する電力変換制御手段と、前記ダイオードの順方向電圧を検出する電圧検出手段と、前記ダイオードの温度を判定する温度判定手段とを備える電力変換器において、前記電力変換制御手段による半導体スイッチング素子のオン/オフ制御中に前記ダイオードに流れる順方向電流が所定値となるタイミングを発生するタイミング発生手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記タイミング発生手段が発生するタイミングで前記ダイオードの順方向電圧を検出するよう構成され、前記温度判定手段は、前記電圧検出手段によって検出された順方向電圧と前記所定値とに基づいて前記ダイオードの温度を判定するよう構成されていることを特徴とするものである(請求項1)。 That is, the present invention relates to a power conversion circuit including a semiconductor switching element and a diode provided integrally with the semiconductor switching element, and the semiconductor switching element is periodically arranged to cause the power conversion circuit to perform a predetermined power conversion operation. In a power converter comprising power conversion control means for on / off control, voltage detection means for detecting a forward voltage of the diode, and temperature determination means for determining the temperature of the diode, a semiconductor by the power conversion control means Timing generation means for generating a timing at which a forward current flowing through the diode becomes a predetermined value during on / off control of the switching element is further provided, and the voltage detection means is configured to generate a timing signal generated by the timing generation means. The temperature determining means is configured to detect a forward voltage. , And it is characterized in that it is configured to determine the temperature of the diode on the basis of said predetermined value and the detected forward voltage by said voltage detecting means (claim 1).
かかる本発明の電力変換器によれば、ダイオードの順方向電流が所定値となるタイミングでダイオードの順方向電圧を検出することにより、順方向電流を定数としてダイオードの温度を判定することができ、これにより判定精度を一層向上してより正確にダイオードの温度、すなわちこれと一体の半導体スイッチング素子の温度を検出できる。また、ダイオードや半導体スイッチング素子の温度を直接測定するサーミスタ等の温度センサを別途設ける必要がなく、回路構成の簡素化及びコスト低減を図ることができるとともに、ダイオードの順方向電圧に基づいてダイオードの温度を直接判定するものであるから、ダイオードから離れた箇所に設置された温度センサによる測定よりも判定精度を向上でき、保護マージンも小さくすることができる。 According to the power converter of the present invention, by detecting the forward voltage of the diode at a timing when the forward current of the diode becomes a predetermined value, the temperature of the diode can be determined using the forward current as a constant, Thereby, the determination accuracy can be further improved, and the temperature of the diode, that is, the temperature of the semiconductor switching element integrated therewith can be detected more accurately. In addition, it is not necessary to separately provide a temperature sensor such as a thermistor that directly measures the temperature of the diode or the semiconductor switching element, so that the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced. Since the temperature is directly determined, the determination accuracy can be improved and the protection margin can be reduced as compared with the measurement by the temperature sensor installed at a location away from the diode.
上記本発明の電力変換器において、前記半導体スイッチング素子と直列に接続されたリアクトルをさらに備え、前記電力変換制御手段は前記リアクトルを流れる電流を制御するよう前記半導体スイッチング素子をオン/オフ制御するものであり、半導体スイッチング素子のオン制御時はリアクトルを流れる電流が半導体スイッチング素子を通過するとともに前記ダイオードには逆方向電圧が印加され、半導体スイッチング素子のオフ制御時に、前記オン制御時にリアクトルを流れていた電流がリアクトルの電流保持作用によって前記ダイオードを順方向電流として通過し、前記タイミング発生手段は、半導体スイッチング素子のオフ制御により前記ダイオードに順方向電流が流れるタイミングを発生するものであってよい(請求項2)。これによれば、リアクトルの電流保持作用によって、半導体スイッチング素子のオン制御時に半導体スイッチング素子を流れていた電流と実質的に等価な電流が、半導体スイッチング素子のオフ制御時にダイオードを流れ、これら半導体スイッチング素子のオン/オフ時にわたってリアクトルを流れる電流は若干のリプル等は生じるものの実質的に均一とみなすことができるので、ダイオードに順方向電流が流れるタイミングで順方向電圧を検出することにより、電力変換制御手段によって制御されるリアクトル電流の目標値や、リアクトル電流を検出する電流センサの検出値をダイオードの順方向電流値として利用でき、かかるリアクトル電流は電力変換制御手段によって制御されているのでダイオードの順方向電流そのものを検出するよりも誤差が少なく、これにより一層正確にダイオードの温度を判定できる。 The power converter of the present invention further includes a reactor connected in series with the semiconductor switching element, and the power conversion control means controls the semiconductor switching element on / off so as to control a current flowing through the reactor. When the semiconductor switching element is turned on, a current flowing through the reactor passes through the semiconductor switching element, and a reverse voltage is applied to the diode. When the semiconductor switching element is turned off, the current flows through the reactor during the on control. The current may pass through the diode as a forward current by the current holding action of the reactor, and the timing generation means may generate a timing at which the forward current flows through the diode by turning off the semiconductor switching element ( Claim 2). According to this, due to the current holding action of the reactor, a current substantially equivalent to the current flowing through the semiconductor switching element when the semiconductor switching element is turned on flows through the diode when the semiconductor switching element is turned off. Since the current flowing through the reactor during the on / off state of the element can be regarded as substantially uniform, although some ripples occur, power conversion is performed by detecting the forward voltage at the timing when the forward current flows through the diode. The target value of the reactor current controlled by the control means and the detected value of the current sensor for detecting the reactor current can be used as the forward current value of the diode, and since the reactor current is controlled by the power conversion control means, Detect the forward current itself Less error, thereby determining a temperature of more accurately diode.
上記本発明は、好ましくはリアクトルを具備するどのような電力変換回路にも適用でき、系統連系インバータのインバータブリッジ回路を構成する一の半導体スイッチング素子に併設された環流ダイオードの温度判定や、昇圧チョッパ回路を構成する逆流防止用ダイオードの温度判定等に利用できる。 The present invention is preferably applicable to any power conversion circuit having a reactor, and it is possible to determine the temperature of a free-wheeling diode provided in one semiconductor switching element constituting an inverter bridge circuit of a grid-connected inverter, It can be used for determining the temperature of a backflow preventing diode constituting the chopper circuit.
すなわち、本発明は、複数の半導体スイッチング素子および各半導体スイッチング素子と一体に設けられるとともに各半導体スイッチング素子の両端に逆並列接続された環流ダイオードを備える電圧形ブリッジインバータと、該電圧形ブリッジインバータの出力側に設けられた連系リアクトルと、前記電圧形ブリッジインバータの直流入力電力を所定の交流電力に変換して出力するよう前記電圧形ブリッジインバータの出力電流を制御するべく前記複数の半導体スイッチング素子を周期的にオン/オフ制御する電力変換制御手段と、前記複数の半導体スイッチング素子の少なくとも一つの半導体スイッチング素子に一体の前記ダイオードの順方向電圧を検出する電圧検出手段と、該ダイオードの温度を判定する温度判定手段とを備える電力変換器において、前記電圧形ブリッジインバータの出力電流が所定値となり且つ複数の半導体スイッチング素子がすべてオフ制御されるタイミングを発生するタイミング発生手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記タイミング発生手段が発生するタイミングで前記ダイオードの順方向電圧を検出するよう構成され、前記温度判定手段は、前記電圧検出手段によって検出された順方向電圧と前記所定値とに基づいて前記ダイオードの温度を判定するよう構成されているものとすることができる(請求項3)。 That is, the present invention provides a voltage-type bridge inverter provided with a plurality of semiconductor switching elements and a free-wheeling diode connected in reverse parallel to both ends of each semiconductor switching element, and the voltage-type bridge inverter. And a plurality of semiconductor switching elements for controlling an output current of the voltage-type bridge inverter so as to convert and output a DC input power of the voltage-type bridge inverter to a predetermined AC power. Power conversion control means for periodically turning on / off the voltage, voltage detection means for detecting a forward voltage of the diode integrated with at least one semiconductor switching element of the plurality of semiconductor switching elements, and temperature of the diode A temperature changer for determining the power The voltage source bridge inverter further includes a timing generating means for generating a timing at which the output current of the voltage source bridge inverter becomes a predetermined value and all of the plurality of semiconductor switching elements are controlled to be off, and the voltage detecting means is generated by the timing generating means. Configured to detect a forward voltage of the diode at a timing, and the temperature determination unit is configured to determine the temperature of the diode based on the forward voltage detected by the voltage detection unit and the predetermined value. (Claim 3).
かかる本発明の電力変換器によれば、電力変換制御手段による電圧形ブリッジインバータのいわゆる電流モード制御によって、電圧形ブリッジインバータの入力側に供給される直流電力が交流電力に変換されて出力される。かかる電力変換動作において、インバータブリッジを構成するすべての半導体スイッチング素子が同時にオンして過大な貫通電流が流れることを回避するため、オンする半導体スイッチング素子の切り替えを行う際には、すべての半導体スイッチング素子がオフするデッドタイムが設けられる。このデッドタイム時においても、連系リアクトルの電流保持作用によって該リアクトルを流れる電流は僅かに低下していくものの実質的には保持され、該電流はいずれかの半導体スイッチング素子に逆並列接続された環流ダイオードを通過して入力側に環流される。本発明は、かかる環流ダイオードの順方向電流の値が、電力変換制御手段による出力電流の制御目標値と実質的に等価になることに着眼し、電力変換制御手段によって制御されている出力電流が所定値となったときにデッドタイム時に環流ダイオードの順方向電圧を検出することで、該環流ダイオードの順方向電流自体を検出することなく、制御目標値、若しくは、制御の結果出力されている出力電流の検出値を順方向電流値として定数的に扱うことが可能となり、これにより、順方向電流が所定値であるときの順方向電圧と温度との関係データ若しくは関数に基づいてより正確に一の半導体スイッチング素子の温度を判定できる。 According to the power converter of the present invention, DC power supplied to the input side of the voltage-type bridge inverter is converted into AC power and output by so-called current mode control of the voltage-type bridge inverter by the power conversion control means. . In such a power conversion operation, all semiconductor switching elements constituting the inverter bridge are simultaneously turned on to prevent excessive through current from flowing. Therefore, when switching the semiconductor switching elements to be turned on, all semiconductor switching elements are switched. A dead time for turning off the element is provided. Even during this dead time, the current flowing through the reactor is slightly reduced by the current holding action of the interconnected reactor, but is substantially maintained, and the current is connected in reverse parallel to one of the semiconductor switching elements. It passes through the freewheeling diode and is returned to the input side. The present invention pays attention to the fact that the value of the forward current of the freewheeling diode is substantially equivalent to the control target value of the output current by the power conversion control means, and the output current controlled by the power conversion control means is By detecting the forward voltage of the freewheeling diode at the dead time when the predetermined value is reached, the forward current of the freewheeling diode itself is not detected, and the output that is output as a result of the control. It becomes possible to treat the detected current value as a forward current value in a constant manner, which makes it possible to more accurately calculate the current value based on the relationship data or function between the forward voltage and the temperature when the forward current is a predetermined value. The temperature of the semiconductor switching element can be determined.
上記発明の電力変換器において、前記電圧検出手段は、前記複数の半導体スイッチング素子のうち最も高温となる半導体スイッチング素子に一体のダイオードの順方向電圧を検出するものとすることができる(請求項4)。これによれば、回路構成を簡素化しつつも、複数の半導体スイッチング素子のすべてを過熱による破壊から保護できる。 In the power converter according to the invention, the voltage detection means detects a forward voltage of a diode integrated with the semiconductor switching element having the highest temperature among the plurality of semiconductor switching elements. ). According to this, all of the plurality of semiconductor switching elements can be protected from destruction due to overheating while simplifying the circuit configuration.
なお、上記ブリッジインバータは、フルブリッジ形であってもハーフブリッジ形であってもよく、また、単相交流を出力するものでも2相或いは3相交流を出力するものであってもよい。また、2レベルインバータであっても、3レベルインバータ等のマルチレベルインバータであってもよい。3レベルインバータの場合、半導体スイッチング素子は8個必要になるが、そのうちの最も高温になることが想定される一の半導体スイッチング素子を予め実験等によって特定しておき、この一の半導体スイッチング素子の温度を判定するよう構成できる。 The bridge inverter may be a full-bridge type or a half-bridge type, and may output a single-phase alternating current or a two-phase or three-phase alternating current. Further, it may be a two-level inverter or a multi-level inverter such as a three-level inverter. In the case of a three-level inverter, eight semiconductor switching elements are required, and one of the semiconductor switching elements that is expected to be the highest temperature is specified in advance by experiments or the like. It can be configured to determine the temperature.
また、本発明は、リアクトル、半導体スイッチング素子及び逆流防止ダイオードを備える昇圧チョッパと、該昇圧チョッパの出力側に設けられたDCリンクコンデンサと、前記昇圧チョッパの入力電圧を昇圧して前記DCリンクコンデンサに出力するよう前記半導体スイッチング素子を周期的にオン/オフ制御する電力変換制御手段と、前記ダイオードの順方向電圧を検出する電圧検出手段と、前記ダイオードの温度を判定する温度判定手段とを備える電力変換器において、前記昇圧チョッパの入力電流が所定値となる定常状態で動作しており且つ前記半導体スイッチング素子のターンオフタイミングから所定の遅延時間後のタイミングを発生するタイミング発生手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記タイミング発生手段が発生するタイミングで前記ダイオードの順方向電圧を検出するよう構成され、前記温度判定手段は、前記電圧検出手段によって検出された順方向電圧と前記所定値とに基づいて前記ダイオードの温度を判定するよう構成されているものとすることもできる(請求項5)。 The present invention also provides a step-up chopper provided with a reactor, a semiconductor switching element, and a backflow prevention diode, a DC link capacitor provided on the output side of the step-up chopper, and boosting the input voltage of the step-up chopper to increase the input voltage of the step-up chopper. Power conversion control means for periodically turning on / off the semiconductor switching element so as to output to the power supply, voltage detection means for detecting the forward voltage of the diode, and temperature determination means for determining the temperature of the diode. The power converter further comprises timing generating means that operates in a steady state where the input current of the boost chopper becomes a predetermined value and generates a timing after a predetermined delay time from the turn-off timing of the semiconductor switching element, The voltage detection means is generated by the timing generation means. It is configured to detect a forward voltage of the diode by imming, and the temperature determination unit is configured to determine a temperature of the diode based on the forward voltage detected by the voltage detection unit and the predetermined value. (Claim 5).
かかる本発明の電力変換器によれば、半導体スイッチング素子のオン制御時はリアクトルが入力側電源に短絡されることによりリアクトル電流が徐々に増加し、半導体スイッチング素子のオフ制御時はリアクトルの電流保持作用によってリアクトルの出力側が昇圧されてダイオードに順方向電圧が生じて、リアクトル電流がそのままダイオードを通過してDCリンクコンデンサに供給される。本発明は、かかるダイオードの順方向電流が、リアクトル電流、すなわち昇圧チョッパの入力電流と実質的に等価であることに着眼し、電力変換制御手段によって制御されている入力電流が所定値となる定常状態で動作しているときの半導体スイッチング素子のオフ制御時のダイオードの順方向電圧を検出することで、該ダイオードの順方向電流自体を検出することなく、入力電流の制御目標値若しくは入力電流の検出値を順方向電流値として定数的に扱うことが可能となり、これにより、順方向電流が所定値であるときの順方向電圧と温度との関係データ若しくは関数に基づいてより正確にダイオードの温度、ひいてはこれに一体の半導体スイッチング素子の温度を判定できる。 According to the power converter of the present invention, the reactor current is gradually increased by short-circuiting the reactor to the input-side power source when the semiconductor switching element is on, and the reactor current is maintained when the semiconductor switching element is off-control. As a result, the output side of the reactor is boosted to generate a forward voltage in the diode, and the reactor current passes through the diode as it is and is supplied to the DC link capacitor. The present invention pays attention to the fact that the forward current of the diode is substantially equivalent to the reactor current, that is, the input current of the step-up chopper, and the input current controlled by the power conversion control means becomes a predetermined value. By detecting the forward voltage of the diode at the time of off-control of the semiconductor switching element when operating in the state, it is possible to detect the control target value of the input current or the input current without detecting the forward current of the diode itself. It is possible to treat the detected value as a forward current value in a constant manner, which makes it possible to more accurately detect the diode temperature based on the relationship data or function between the forward voltage and temperature when the forward current is a predetermined value. As a result, the temperature of the semiconductor switching element integrated therewith can be determined.
以上説明したように、本発明の請求項1に係る電力変換器によれば、ダイオードの順方向電流が所定値となるタイミングでダイオードの順方向電圧を検出することにより、順方向電流を定数としてダイオードの温度を判定することができ、これにより判定精度を一層向上してより正確にダイオードの温度、すなわちこれと一体の半導体スイッチング素子の温度を検出できる。また、ダイオードや半導体スイッチング素子の温度を直接測定するサーミスタ等の温度センサを別途設ける必要がなく、回路構成の簡素化及びコスト低減を図ることができるとともに、ダイオードの順方向電圧に基づいてダイオードの温度を直接判定するものであるから、ダイオードから離れた箇所に設置された温度センサによる測定よりも判定精度を向上でき、保護マージンも小さくすることができる。 As described above, according to the power converter of the first aspect of the present invention, by detecting the forward voltage of the diode at a timing when the forward current of the diode becomes a predetermined value, the forward current is set as a constant. The temperature of the diode can be determined, thereby further improving the determination accuracy and more accurately detecting the temperature of the diode, that is, the temperature of the semiconductor switching element integrated therewith. In addition, it is not necessary to separately provide a temperature sensor such as a thermistor that directly measures the temperature of the diode or the semiconductor switching element, so that the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced. Since the temperature is directly determined, the determination accuracy can be improved and the protection margin can be reduced as compared with the measurement by the temperature sensor installed at a location away from the diode.
また、本発明の請求項2に係る電力変換器によれば、リアクトルの電流保持作用によって、半導体スイッチング素子のオン制御時に半導体スイッチング素子を流れていた電流と実質的に等価な電流が、半導体スイッチング素子のオフ制御時にダイオードを流れ、これら半導体スイッチング素子のオン/オフ時にわたってリアクトルを流れる電流は若干のリプル等は生じるものの実質的に均一とみなすことができるので、ダイオードに順方向電流が流れるタイミングで順方向電圧を検出することにより、電力変換制御手段によって制御されるリアクトル電流の目標値や、リアクトル電流を検出する電流センサの検出値をダイオードの順方向電流値として利用でき、かかるリアクトル電流は電力変換制御手段によって制御されているのでダイオードの順方向電流そのものを検出するよりも誤差が少なく、これにより一層正確にダイオードの温度を判定できる。
According to the power converter of
また、本発明の請求項3に係る電力変換器によれば、電力変換制御手段によって制御されている出力電流が所定値となったときにデッドタイム時に環流ダイオードの順方向電圧を検出することで、該環流ダイオードの順方向電流自体を検出することなく、制御目標値、若しくは、制御の結果出力されている出力電流の検出値を順方向電流値として定数的に扱うことが可能となり、これにより、順方向電流が所定値であるときの順方向電圧と温度との関係データ若しくは関数に基づいてより正確に一の半導体スイッチング素子の温度を判定できる。 In the power converter according to claim 3 of the present invention, the forward voltage of the freewheeling diode is detected at the dead time when the output current controlled by the power conversion control means reaches a predetermined value. Without detecting the forward current of the freewheeling diode itself, it becomes possible to treat the control target value or the detected value of the output current output as a result of control as a forward current value in a constant manner. The temperature of one semiconductor switching element can be more accurately determined based on the relationship data or function between the forward voltage and the temperature when the forward current is a predetermined value.
また、本発明の請求項4に係る電力変換器によれば、回路構成を簡素化しつつも、複数の半導体スイッチング素子のすべてを過熱による破壊から保護できる。 Moreover, according to the power converter which concerns on Claim 4 of this invention, all the several semiconductor switching elements can be protected from destruction by overheating, simplifying a circuit structure.
また、本発明の請求項5に係る電力変換器によれば、電力変換制御手段によって制御されている入力電流が所定値となる定常状態で動作しているときの半導体スイッチング素子のオフ制御時のダイオードの順方向電圧を検出することで、該ダイオードの順方向電流自体を検出することなく、入力電流の制御目標値若しくは入力電流の検出値を順方向電流値として定数的に扱うことが可能となり、これにより、順方向電流が所定値であるときの順方向電圧と温度との関係データ若しくは関数に基づいてより正確にダイオードの温度、ひいてはこれに一体の半導体スイッチング素子の温度を判定できる。
In the power converter according to
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナ1(電力変換器)の概略構成を示しており、該パワーコンディショナ1は、太陽電池アレイなどの発電部2が出力する直流発電電力を商用電力系統3に連系する交流電力に変換して商用電力系統3に出力するものであって、コンバータ4(第1の電力変換回路)、DCリンクコンデンサ5及びインバータ6(第2の電力変換回路)により主構成される電力変換部と、該電力変換部の出力部(図示例ではインバータ6の出力部)と商用電力系統3との間に設けられた解列用保護リレー7と、電力変換部及び保護リレー7の動作を制御する制御部8(電力変換制御部)とを備えている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a power conditioner 1 (power converter) according to an embodiment of the present invention. The
発電部2は、従来公知の適宜の構成であってよく、一般的には、複数の太陽電池モジュールを直列乃至並列に接続してなり、敷地や建物の屋根などに設置される。また、発電部2としては、燃料電池その他の発電装置を用いることができる。
The
制御部8は、コンバータ4及びインバータ6における各電力変換動作並びに保護リレー7の開閉動作を制御するとともに、パワーコンディショナ1の筐体に取り付けられた液晶表示器などからなる表示部(図示せず)の表示制御や、パワーコンディショナ1における各種異常検出制御を行う。制御部8は、制御中枢としてのマイクロプロセッサ(図示せず)を制御基板上に備えているとともに、該マイクロプロセッサからの制御信号に基づいてコンバータ4並びにインバータ6を構成する各半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路(図示せず)を備えている。
The control unit 8 controls each power conversion operation in the converter 4 and the
電力変換部も従来公知の適宜の構成であってよく、図示実施例では、発電部2から供給される直流電力を交流の系統電圧の最大値(例えば200V交流電力の場合は280V)に対応する所定電圧(例えば350V)に昇圧するよう電力変換してDCリンクコンデンサ5に出力するDC/DCコンバータ4と、DCリンクコンデンサ5を介して供給される直流電力を系統電力に連系する交流電力に電力変換して系統3に出力するDC/ACインバータ6とから構成できる。
The power conversion unit may also have a conventionally known appropriate configuration, and in the illustrated embodiment, the DC power supplied from the
コンバータ4は、DCリアクトル41と、該DCリアクトル41の蓄積エネルギーを制御するIGBTなどの半導体スイッチング素子42と、DCリンクコンデンサ5からDCリアクトル41への電流の逆流を防止する逆流防止用ダイオード43とから主構成される昇圧チョッパ回路であって、ダイオード43のカソード側がDCリンクコンデンサ5の正極側に接続されている。半導体スイッチング素子42には、負荷電流を転流させるためのFWD44(フリーホイーリングダイオード)が逆並列接続されている。本実施例では、半導体スイッチング素子42と逆流防止用ダイオード43とが、IPM(インテリジェントパワーモジュール)などの一つのパワーモジュールに一体に内蔵されており、好ましくは逆流防止用ダイオード43が半導体スイッチング素子42に近接して実装されているものを用いることができる。
The converter 4 includes a DC reactor 41, a
インバータ6は、フルブリッジ形の電圧形ブリッジインバータであり、4つのIGBTなどの半導体スイッチング素子61をHブリッジ形に接続するとともに各半導体スイッチング素子61に環流ダイオード62を逆並列接続することにより構成され、その出力側には連系リアクトル63が設けられている。このインバータ6は、制御部8によるいわゆる電流モード制御(電圧形インバータの電流制御)を行うことによって、出力電流が系統電力に同期する交流波形となるよう出力電流を制御するものであり、系統3への電力出力時はDCリンクコンデンサ5からの直流電力がPWM制御若しくはPAM制御によって交流電力に変換されて系統3へ出力される。本実施例では、4つの半導体スイッチング素子61と環流ダイオード62とが、IPM(インテリジェントパワーモジュール)などの一つのパワーモジュールに一体に内蔵されており、好ましくは逆並列接続された半導体スイッチング素子61及び環流ダイオード62が近接して実装されているものを用いることができる。
The
コンバータ4の入力側の入力電路には入力電圧センサ10及び入力電流センサ11が設けられ、インバータ6の出力側の出力電路には出力電圧センサ12及び出力電流センサ13が設けられており、これらセンサ10,11,12,13の検出値は、制御部8に入力されてコンバータ4及びインバータ6における電力変換動作の制御パラメータとして用いられる。
An
また、コンバータ4の逆流防止用ダイオード43の順方向電圧を検出するための第1の電圧検出回路14(電圧検出手段)と、インバータ6を構成する一の半導体スイッチング素子61に逆並列接続された環流ダイオード62の順方向電圧を検出するための第2の電圧検出回路15(電圧検出手段)とが設けられている。これら第1及び第2の電圧検出回路14,15は同等の回路構成であってもよいし、異なる回路構成であってもよい。図2〜図5は、第1及び第2の電圧検出回路14,15として用いることのできる回路構成例をそれぞれ示している。
Further, the first voltage detection circuit 14 (voltage detection means) for detecting the forward voltage of the
図2に示す実施例においては、測定対象となるダイオード43,62の両端電圧を分圧回路16により分圧し、分圧された電圧信号をバッファアンプ17を介してサンプルホールド回路18に供給するよう構成されている。なお、バッファアンプ17としてはアイソレーションアンプを用いている。
In the embodiment shown in FIG. 2, the voltage across the
サンプルホールド回路18には、タイミング発生手段19が生成するサンプリングタイミング信号もまた入力されており、該サンプリングタイミング信号で指示されたサンプリングタイミングでバッファアンプ17からの入力電圧をサンプリングし、サンプリングした電圧値をホールドして制御部8に電圧検出信号(アナログ値)として出力する。
A sampling timing signal generated by the
図3に示す実施例では、分圧回路16によって分圧された電圧をサンプルホールド回路18によってサンプルホールドし、該サンプルホールド回路18の出力電圧をバッファアンプ17を介して制御部8に出力している。
In the embodiment shown in FIG. 3, the voltage divided by the
図4に示す実施例は、特に絶縁の必要のない場合に利用可能な構成例であって、図に示すように上記バッファアンプを省略することもできる。 The embodiment shown in FIG. 4 is a configuration example that can be used when insulation is not particularly required, and the buffer amplifier can be omitted as shown in the figure.
図5に示す実施例は、制御部8のマイクロプロセッサが高性能な場合に利用可能な構成例であって、上記サンプルホールド回路18を省略してバッファアンプ17の出力をマイクロプロセッサのアナログ入力端子に入力させ、マイクロプロセッサによってタイミング発生手段19が生成するサンプリングタイミングで入力電圧をサンプリングする構成を示しており、而して、マイクロプロセッサがサンプルホールド手段18として機能する。
The embodiment shown in FIG. 5 is a configuration example that can be used when the microprocessor of the control unit 8 has a high performance. The
タイミング発生手段19は適宜の構成を採用することができ、制御部8のマイクロプロセッサをタイミング発生手段19として機能させることもできるし、制御部8とは別個に設けた専用回路によりタイミング発生手段19を構成することもできるし、制御部8のマイクロプロセッサと、該マイクロプロセッサからの制御信号に基づいて動作する専用回路との組み合わせによってタイミング発生手段19を構成することもできる。また、タイミング発生手段19が生成するサンプリングタイミングは、マイクロプロセッサにおける演算によって生成されてもよいし、コンバータ4又はインバータ6を駆動する駆動回路が生成する駆動信号に基づいて生成されるものであってもよい。本発明は、タイミング発生手段19が生成するタイミングをいつの時点にするかを特徴とするものであって、タイミング発生手段19の回路構成自体は適宜の構成であってよい。
The
次に、タイミング発生手段19が生成するサンプリングタイミングについて説明するために、まず、インバータ6の動作について説明する。
Next, in order to describe the sampling timing generated by the timing generation means 19, the operation of the
図6は、インバータ6の動作原理を説明するための動作説明図であり、インバータ6は、図示されたモード1〜モード4の4つの動作モードを周期的に繰り返すことにより出力電流が制御される。モード1は、図示右上と左下のスイッチがオンし、右下と左上のスイッチがオフされ、このとき、回路図右上のグラフに示すように、電源側に連系リアクトルが正接続されることで連系リアクトルを流れる電流が増加していく。モード3は、右下と左上のスイッチがオンし、右上と左下のスイッチがオフされ、このとき、回路図右上のグラフに示すように、電源側に連系リアクトルが逆接続されることで連系リアクトルを流れる電流が減少していく。これらモード1とモード3を交互に切り替えるとともに、各モード1,3の持続時間をPWM制御によって適切に制御することによって、図8に示すような系統電力に連系する交流電流が出力される。また、各モード1,3を切り替える際にすべてのスイッチがオンすることを防止するために、モード1からモード3に切り替えるとき、並びに、モード3からモード1に切り替えるときに、モード2,4に示すようにすべてのスイッチをオフするデッドタイムが設けられており、このデッドタイム時には、連系リアクトルを流れる電流はリアクトルの磁気エネルギー保存則によって急変できないため、図に矢印で示すように環流ダイオードを通ってリアクトル電流が電源側に環流される。なお、一実施例においてデッドタイムは1〜2マイクロ秒程度である。
FIG. 6 is an operation explanatory diagram for explaining the operation principle of the
図7は、出力電流が0A付近(ゼロクロス点付近)におけるインバータ6の上アームの正側スイッチング素子と負側スイッチング素子の制御信号及び測定対象となる負側スイッチング素子の両端電圧の遷移を示すタイミングチャートである。なお、各半導体スイッチング素子にはターンオン時及びターンオフ時に僅かな遅延時間があるため、制御ロジック上のデッドタイムと、実際の出力上のデッドタイムとは僅かにズレが生じる。したがって、インバータ6用のタイミング発生手段19は、好ましくは実際の出力上のデッドタイムを検出するか、或いは予め実験によってロジック上のデッドタイムと出力上のデッドタイムとの相関データを求めておき、この相関データとロジック上のデッドタイムとに基づいて適切なタイミングを生成するよう構成できる。
FIG. 7 is a timing chart showing the transition of the control signal of the positive side switching element and the negative side switching element of the upper arm of the
本実施例では、インバータ6用のタイミング発生手段19は、図8に示すように、出力電流、すなわち連系リアクトル電流が1A±α(許容誤差)のタイミングであって、すべての半導体スイッチング素子61がオフ制御されることにより図7に示すように負側スイッチング素子61の両端電圧が負電圧となって環流ダイオード62に順方向電圧が印加され、これにより連系リアクトル63を流れる電流が環流ダイオード62を介して環流されているタイミングで、サンプリングタイミングを示すパルス信号からなるデッドタイム信号を生成するよう構成されている。
In this embodiment, the timing generating means 19 for the
連系リアクトル電流が1Aであるタイミングは適宜の方法によって判定することができ、例えば、図8に示す出力電流波形(制御目標波形)のゼロクロス点を基準として、リアクトル電流が1Aとなるゼロクロス点からの経過時間後のタイミングであってもよいし、出力電流センサ13の検出値に基づいて1Aとなるタイミングを判定してもよいし、制御部8の制御目標値が1Aとなるタイミングであってもよい。
The timing at which the interconnected reactor current is 1 A can be determined by an appropriate method. For example, from the zero cross point where the reactor current becomes 1 A with reference to the zero cross point of the output current waveform (control target waveform) shown in FIG. May be a timing after the elapsed time, or may be determined based on a detection value of the output
このデッドタイム信号は連系リアクトル電流が1A±αでないときは生成されないため、これにより、環流ダイオード62の順方向電圧をサンプリングするときに環流ダイオード62を流れる電流が1A±αであることを保証できる。
Since this dead time signal is not generated when the interconnected reactor current is not 1A ± α, this ensures that the current flowing through the freewheeling
制御部8の記憶手段には、予め順方向電流が1Aのときの環流ダイオード62の順方向電圧と温度との関係データ若しくは関係式が記憶されており、制御部8のマイクロプロセッサは、所定のタイミングで、若しくは、定常的に、電圧検出回路14がサンプルホールドした環流ダイオード62の上記順方向電圧値を監視して、該順方向電圧値と上記関係データ若しくは関係式とに基づいて、環流ダイオード62の温度、ひいては半導体スイッチング素子61の温度を判定するよう制御構成されている。而して、かかる判定を行う制御部8によって、環流ダイオード62の温度を判定する温度判定手段が構成されている。なお、関係式としては、例えば、順方向電圧Vf=a×温度T+b(a,bは定数。aは例えば−2mV/℃。)などとすることができる。
The storage unit of the control unit 8 stores in advance relationship data or a relational expression between the forward voltage and the temperature of the freewheeling
図9は、コンバータ4用のサンプリングタイミング発生手段19のタイミング生成ロジックを説明するためのタイミングチャートである。まずコンバータ4の動作原理について説明すると、半導体スイッチング素子42にPWM制御された昇圧チョッパ駆動信号を出力すると、半導体スイッチング素子42のオン制御時はDCリアクトル41が電源部2に接続されてリアクトル電流がIL1からIL2に徐々に増加する。一方、オフ制御時は、DCリアクトル41の出力電圧が昇圧されて逆流防止ダイオード43に順方向電圧が生じ、リアクトル電流が該ダイオード43を通過してDCリンクコンデンサ5に供給され、このときリアクトル電流、すなわちダイオード43を流れる順方向電流、並びに、ダイオード43の順方向電圧は図に示すように徐々に減少していく。
FIG. 9 is a timing chart for explaining the timing generation logic of the sampling timing generation means 19 for the converter 4. First, the operation principle of the converter 4 will be described. When a PWM-controlled step-up chopper drive signal is output to the
そして、コンバータ4用のサンプリングタイミング発生手段19は、昇圧チョッパの入力電流(リアクトル電流)が所定値となる定常状態で動作しており、且つ、半導体スイッチング素子42をオフしている間の所定のタイミングで、サンプリングタイミングを示すパルス信号を生成するように構成されている。昇圧チョッパの入力電流が所定値となる状態は、積極的制御によって作り出された状態であってもよく、例えばスイッチング素子の過熱状態判定のために、入力電流が所定値となるようスイッチング素子42をPWM制御してもよい。また、積極的な電流制御を行うのではなく、例えば、過熱状態となるリスクが大きくなる最大入力電流を所定値とし、最大入力電流で動作しているときにサンプリングタイミング発生手段19がサンプリングタイミングを発生するよう制御構成することもできる。また、複数の入力電流値のうちのいずれかで動作しているときにサンプリングタイミングを発生するよう制御構成することもできる。
The sampling timing generation means 19 for the converter 4 operates in a steady state where the input current (reactor current) of the boost chopper becomes a predetermined value, and the predetermined timing while the
昇圧チョッパのDCリアクトル電流のリプルは定常状態であっても比較的大きい場合があり、また、半導体スイッチング素子42のターンオフ直後はスイッチング動作によるノイズ成分が大きくなるため、好ましくは、半導体スイッチング素子42のターンオフタイミングから所定の遅延時間Δt後のタイミングで上記パルス信号を出力する。この遅延時間Δtは、リプルを含むリアクトル電流がちょうど平均値(すなわち昇圧チョッパの入力電流値)となる時間とすることができ、例えば、ターンオフタイミングから、オフ時間の半分の時間を経過したときとすることができる。
The ripple of the DC reactor current of the step-up chopper may be relatively large even in a steady state, and the noise component due to the switching operation increases immediately after the
また、半導体スイッチング素子42をオンしているときは下記の式(1)が成立し、オフしているときは下記の式(2)が成立する。
L×(IL2−IL1)/Ton = Vin ・・・式(1)
L×(IL2−IL1)/Toff = Vo − Vin − Vf ・・・式(2)
Vin:電源電圧,Ton:オン時間,Toff:オフ時間,L:DCリアクトルのインダクタンス,Vo:DCリンク電圧,Vf:ダイオードの順方向電圧(Vo及びVinと比べて十分小さいため無視可能)
Further, the following equation (1) is established when the
L × (I L2 −I L1 ) / Ton = Vin Expression (1)
L × (I L2 −I L1 ) / Toff = Vo−Vin−Vf Equation (2)
Vin: power supply voltage, Ton: on time, Toff: off time, L: DC reactor inductance, Vo: DC link voltage, Vf: diode forward voltage (can be ignored because it is sufficiently small compared to Vo and Vin)
電源電圧Vinは入力電圧センサ10によって検出でき、インダクタンスLは定数であり、Ton及びToffは制御部8の制御上のパラメータであるので制御部8において判明しており、VoもDCリンク電圧検出センサ(図示せず)によって検出できる。したがって、これらの式(1)(2)より、リアクトル電流のリプルの量(IL2−IL1)を算出でき、これとオフ時間Toffとの関係によりオフ時間中のリアクトル電流の単位時間毎の減少量、図9のリアクトル電流のオフ時間Toff時の直線の傾きがわかり、一方、リアクトル電流の平均値は入力電流センサ11の検出値によって分かっているため、半導体スイッチング素子42のターンオフタイミングから所定の遅延時間Δt後の正確なリアクトル電流値を算出可能である。かかるリアクトル電流値が、予め関係データ若しくは関係式が用意されている所定の電流値であるときのダイオード43の順方向電圧をサンプリングホールドすることにより、より正確にダイオード43の温度、ひいては半導体スイッチング素子42の温度を判定することができる。
The power supply voltage Vin can be detected by the
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、上記実施形態ではコンバータ及びインバータを内蔵するパワーコンディショナの例を示したが、コンバータのみからなる電力変換器やインバータのみからなる電力変換器として実施することも可能である。また、半導体スイッチング素子とダイオードは、熱的に一体であればよく、例えば個別に供給されている半導体スイッチング素子部品と、ダイオード部品とを、熱的に一体となるよう基板上に実装してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate. For example, in the above-described embodiment, an example of a power conditioner including a converter and an inverter has been described. However, the present invention can be implemented as a power converter including only a converter or a power converter including only an inverter. The semiconductor switching element and the diode need only be thermally integrated. For example, the semiconductor switching element component and the diode component that are separately supplied may be mounted on the substrate so as to be thermally integrated. Good.
1 電力変換器(パワーコンディショナ)
4 電力変換回路(コンバータ)
41 DCリアクトル
42 半導体スイッチング素子
43 逆流防止用ダイオード
5 DCリンクコンデンサ
6 電力変換回路(インバータ)
61 半導体スイッチング素子
62 環流ダイオード
63 連系リアクトル
8 電力変換制御手段(制御部)
14 電圧検出手段(コンバータのダイオード用の電圧検出回路)
15 電圧検出手段(インバータのダイオード用の電圧検出回路)
19 タイミング発生手段
1 Power converter (power conditioner)
4 Power conversion circuit (converter)
41
61
14 Voltage detection means (voltage detection circuit for converter diode)
15 Voltage detection means (voltage detection circuit for inverter diode)
19 Timing generation means
Claims (5)
前記電力変換制御手段による半導体スイッチング素子のオン/オフ制御中に前記ダイオードに流れる順方向電流が所定値となるタイミングを発生するタイミング発生手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記タイミング発生手段が発生するタイミングで前記ダイオードの順方向電圧を検出するよう構成され、前記温度判定手段は、前記電圧検出手段によって検出された順方向電圧と前記所定値とに基づいて前記ダイオードの温度を判定するよう構成されていることを特徴とする電力変換器。 A power conversion circuit including a semiconductor switching element and a diode provided integrally with the semiconductor switching element, and power for periodically on / off controlling the semiconductor switching element to cause the power conversion circuit to perform a predetermined power conversion operation In a power converter comprising conversion control means, voltage detection means for detecting a forward voltage of the diode, and temperature determination means for determining the temperature of the diode,
The power generation control means further includes timing generation means for generating a timing at which a forward current flowing through the diode becomes a predetermined value during the on / off control of the semiconductor switching element by the power conversion control means, and the voltage detection means includes the timing generation means The diode is configured to detect a forward voltage of the diode at a generation timing, and the temperature determination unit determines the temperature of the diode based on the forward voltage detected by the voltage detection unit and the predetermined value. A power converter characterized by being configured.
前記電圧形ブリッジインバータの出力電流が所定値となり且つ複数の半導体スイッチング素子がすべてオフ制御されるタイミングを発生するタイミング発生手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記タイミング発生手段が発生するタイミングで前記ダイオードの順方向電圧を検出するよう構成され、前記温度判定手段は、前記電圧検出手段によって検出された順方向電圧と前記所定値とに基づいて前記ダイオードの温度を判定するよう構成されていることを特徴とする電力変換器。 A voltage-type bridge inverter provided with a plurality of semiconductor switching elements and each semiconductor switching element and having a free-wheeling diode connected in reverse parallel to both ends of each semiconductor switching element, and provided on the output side of the voltage-type bridge inverter The plurality of semiconductor switching elements are periodically turned on / off in order to control the output current of the voltage-type bridge inverter so as to convert and output the DC input power of the voltage-type bridge inverter to a predetermined AC power. Power conversion control means for controlling off, voltage detection means for detecting a forward voltage of the diode integrated with at least one semiconductor switching element of the plurality of semiconductor switching elements, and temperature determination means for determining the temperature of the diode In a power converter comprising:
Timing generating means for generating a timing at which the output current of the voltage source bridge inverter becomes a predetermined value and all of the plurality of semiconductor switching elements are controlled to be turned off, and the voltage detecting means at the timing generated by the timing generating means. The diode is configured to detect a forward voltage of the diode, and the temperature determination unit is configured to determine a temperature of the diode based on the forward voltage detected by the voltage detection unit and the predetermined value. A power converter characterized by that.
前記昇圧チョッパの入力電流が所定値となる定常状態で動作しており且つ前記半導体スイッチング素子のターンオフタイミングから所定の遅延時間後のタイミングを発生するタイミング発生手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記タイミング発生手段が発生するタイミングで前記ダイオードの順方向電圧を検出するよう構成され、前記温度判定手段は、前記電圧検出手段によって検出された順方向電圧と前記所定値とに基づいて前記ダイオードの温度を判定するよう構成されていることを特徴とする電力変換器。 A step-up chopper provided with a reactor, a semiconductor switching element, and a backflow prevention diode, a DC link capacitor provided on the output side of the step-up chopper, and the semiconductor so as to step up the input voltage of the step-up chopper and output it to the DC link capacitor In a power converter comprising: power conversion control means for periodically turning on / off a switching element; voltage detection means for detecting a forward voltage of the diode; and temperature determination means for determining the temperature of the diode.
The voltage detection means further comprises timing generating means that operates in a steady state where the input current of the boost chopper becomes a predetermined value and generates a timing after a predetermined delay time from the turn-off timing of the semiconductor switching element. The diode is configured to detect a forward voltage of the diode at a timing generated by the timing generator, and the temperature determination unit is configured to detect the forward voltage of the diode based on the forward voltage detected by the voltage detector and the predetermined value. A power converter configured to determine a temperature.
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