JP5279796B2

JP5279796B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5279796B2
Application number: JP2010243084A
Authority: JP
Inventors: 隆二百瀬; 勝之天野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: CN102570434B; CN102570434A; US8711587B2; AU2011226887A1; JP2012095511A; EP2458721A2; EP2458721A3; US20120106212A1; EP2458721B1; ES2594341T3

Description

本発明は、任意の直流電圧を得ることができるアクティブコンバーターを有する電力変換装置に関し、特にその突入電流抑制動作に関するものである。

通常のコンバーター回路において、平滑コンデンサーと直列に電流制限抵抗を設けることによって、電源投入時の突入電流を抑制し、負荷の通電時等の定常時にはリレー等のスイッチング手段により電流制限抵抗をバイパスしている（例えば、特許文献２における図４参照）。

また、瞬時停電によって平滑コンデンサーの両端電圧と予め定めた基準電圧とを比較し、その比較結果に基づいて電流制限抵抗と並列に接続されたスイッチング素子を制御することによって、突入電流を抑制する電力変換装置がある（例えば、特許文献１参照）。

さらに、交流電圧のゼロクロスを監視することで瞬時停電を検出し、平滑コンデンサーの静電容量及び負荷電流に基づいて、許容できる瞬時停電の時間を算出し、電流制限抵抗と並列に接続されたリレーの開閉動作を制御する突入電流制限方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−３１６６４０号公報（第２頁）特開平１０−２７１６６８号公報（第２頁）

従来の瞬時停電からの復電の際に生じる突入電流を抑制する方法は、突入電流が流れる経路をリレーによって電流制限抵抗を介するように切り替えるものであるので、瞬時停電が起こった後、リレーが動作するまでの極短い期間内に復電した際には、突入電流を抑制することができないという問題点があった。
また、リレーの切り替え、又は、後述する直流負荷を停止させるために用いる基準電圧（閾値）が、予め定められた固定値だったので、製品に入力される最大電圧が考慮されていないという問題点もあった。

また、瞬時停電からの復電の際に発生する突入電流の大きさは、瞬時停電から復電する直前の直流電圧、すなわち平滑コンデンサーの両端電圧と、瞬時停電から復電する際のアクティブコンバーターに入力される交流電圧との差に左右される。そして、アクティブコンバーターの出力側に接続される負荷が大きいほど、瞬時停電発生時に平滑コンデンサーの両端電圧が低下する速度が速いので、突入電流の大きさが大きくなり、その突入電流が流れる経路に存在する半導体素子等の耐電流性が低い場合、その半導体素子等の破壊を招来するという問題点がある。そのために電流制限抵抗に並列接続されたリレーの遅延動作を考慮した耐電流性を備えることが必要となって半導体素子等が大型化し、半導体素子等の小型化が損なわれ、さらには、低コスト化への妨げとなっているという問題点もあった。特に、瞬間的な電流に対する耐電流性が弱く、高価なＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体をアクティブコンバーターに用いる場合には、小型化による低コスト化への妨げとなっている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、平滑コンデンサーの電圧低下を抑制し、復電時の突入電流を抑制する電力変換装置を得ることである。
また、第２の目的は、瞬時停電からの復電する直前の平滑コンデンサーの両端電圧と、瞬時停電からの復電時にアクティブコンバーターに入力される交流電圧との差を小さく抑え、突入電流を抑制するために用いるスイッチング素子が動作する前に復電した際の突入電流を抑制する電力変換装置を得ることである。

本発明に係る電力変換装置は、半導体素子によって構成され、交流電源から交流電圧の供給を受け、該交流電圧を整流して任意の直流電圧に昇圧するアクティブコンバーターと、該アクティブコンバーターの出力側に接続され、その両端には直流負荷が接続され、前記アクティブコンバーターが出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサーと、前記交流電源と前記アクティブコンバーターとの間に接続され、前記交流電源から流れる電流を制限する電流制限抵抗と、該電流制限抵抗と並列に接続されたスイッチング手段と、前記平滑コンデンサーの両端電圧である母線電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記アクティブコンバーターが出力する直流電圧の昇圧動作を制御する制御装置と、を備え、該制御装置は、前記交流電源から前記交流電圧が出力されている場合は、前記スイッチング手段をオン動作させ、前記交流電源に停電が発生した場合は、前記スイッチング手段をオフ動作させ、前記直流電圧検出手段によって検出された前記母線電圧が、所定の基準電圧以下になったと判定した場合、前記直流負荷の動作を停止させるものであり、前記アクティブコンバーターから出力される直流電圧の電圧レベルに応じて、前記基準電圧を設定することを特徴とするものである。

本発明によれば、母線電圧が、所定の基準電圧以下となった場合に、直流負荷の動作を停止させることによって、母線電圧の低下を抑制し、スイッチング手段のオフ動作によって電流制限抵抗を介する経路に切り替わる前に復電した場合の突入電流を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るアクティブコンバーター４０を含む電力変換装置の構成図の例である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における瞬時停電から復電するまでの平滑コンデンサー３１の両端電圧の推移と突入電流抑制動作を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における母線電圧Ｖｄｃと基準電圧との関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のアクティブコンバーター４０が昇圧動作を実施している場合において、瞬時停電から復電するまでの母線電圧Ｖｄｃの推移と突入電流抑制動作を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のアクティブコンバーター４０が昇圧動作を停止する場合に昇圧レベルを段階的に下げる制御を示す図である。

実施の形態１．
（電力変換装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアクティブコンバーター４０を含む電力変換装置の構成図の例である。
図１で示されるように、アクティブコンバーター４０は、商用電源等の交流電源１０に接続されて、この交流電源１０とアクティブコンバーター４０との間には、突入電流抑制用の電流制限抵抗１１が接続されている。この電流制限抵抗１１の両端には、電流制限抵抗１１をバイパスするためのスイッチング手段１２が並列接続されている。アクティブコンバーター４０の出力側には、平滑コンデンサー３１が接続され、さらに、この平滑コンデンサー３１の両端には、直流負荷３０が接続されている。また、アクティブコンバーター４０の出力側には、アクティブコンバーター４０の出力電圧、すなわち、平滑コンデンサー３１の両端電圧を検出する直流電圧検出手段２４が接続されており、この直流電圧検出手段２４は、マイコン等の制御装置２０に接続されている。

アクティブコンバーター４０は、半導体素子等から構成され、交流電源１０から供給される交流電圧を整流して、任意の直流電圧に昇圧する機能を有し、その昇圧した直流電圧を直流負荷３０に出力する。この際、アクティブコンバーター４０によって出力された直流電圧は、平滑コンデンサー３１によって平滑される。また、アクティブコンバーター４０は、昇圧動作をしない場合は、通常のパッシブのダイオードブリッジとして動作し、交流電源１０から供給される交流電圧を整流する。
なお、アクティブコンバーター４０を構成する半導体素子は、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体によって構成されるものとしてもよい。

制御装置２０は、直流電圧検出手段２４によって検出された平滑コンデンサー３１の両端電圧の電圧情報を受信する。また、制御装置２０は、アクティブコンバーター４０が出力する直流電圧を制御するアクティブコンバーター制御部２１、スイッチング手段１２によるバイパス動作を制御するスイッチング制御部２２、及び、半導体スイッチング素子で構成されたインバーター等である直流負荷３０の動作を制御し、即時に停止することを可能とする直流負荷制御部２３を備えている。

（突入電流抑制動作）
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における瞬時停電から復電するまでの平滑コンデンサー３１の両端電圧（以下、母線電圧Ｖｄｃという）の推移と突入電流抑制動作を示す図である。図２では、アクティブコンバーター４０が昇圧動作を実施しないパッシブのダイオードブリッジと同等の動作をしている場合の例を示している。

図２で示されるように、瞬時停電が発生すると、交流電源１０からの交流電圧の供給が停止し、平滑コンデンサー３１への充電動作も停止するので、平滑コンデンサー３１から直流負荷３０へ電流が流れることによって放電され、母線電圧Ｖｄｃが低下する。このとき、制御装置２０は、直流電圧検出手段２４によって検出された母線電圧Ｖｄｃが、所定の基準電圧以下となったと判定した場合は、直流負荷制御部２３に対して、直流負荷３０の動作を停止させる。これによって、平滑コンデンサー３１の両端電圧、すなわち母線電圧Ｖｄｃの低下を抑制し、スイッチング制御部２２によるスイッチング手段１２のオフ動作によって、電流制限抵抗１１を介する経路に切り替わる前の期間に復電した場合の突入電流を抑制することができる。このとき、制御装置２０が、スイッチング制御部２２に対して、スイッチング手段１２のオフ動作を実施させるタイミングは、母線電圧Ｖｄｃが基準電圧以下となった場合としてもよいし、その他の条件によってスイッチング手段１２のオフ動作を実施させるものとしてもよい。

このとき、瞬時停電から復電する際のアクティブコンバーター４０に入力される交流電圧の製品として規定する最大値と、瞬時停電から復電する直前の母線電圧Ｖｄｃとの差ΔＶｉｎが、アクティブコンバーター４０における半導体素子の突入電流に対する耐電流性のΔＶｉｎの限界値ΔＶｒｕｓｈより小さくする必要がある。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における母線電圧Ｖｄｃと基準電圧との関係を示す図である。以下、図３を参照しながら、前述の基準電圧の設定方法について説明する。

アクティブコンバーター４０が昇圧動作を実施していない場合、前述のように、通常のパッシブのダイオードブリッジとして動作し、交流電源１０から供給される交流電圧を整流する。このとき、アクティブコンバーター４０によって整流された直流電圧である母線電圧Ｖｄｃは、直流電圧検出手段２４によって検出され、制御装置２０は、この検出された母線電圧Ｖｄｃから、直流負荷３０の変動又は電圧リップル等によるアクティブコンバーター４０の出力電圧の変動による誤検知を考慮したマージンを減算し、さらに、母線電圧Ｖｄｃから、アクティブコンバーター４０に入力される交流電源１０の交流電圧を推算した値に基づいて、差ΔＶｉｎが限界値ΔＶｒｕｓｈを超えないような基準電圧を設定する。ここで、制御装置２０は、例えば、直流電圧検出手段２４によって検出された母線電圧Ｖｄｃを２の平方根で除算することによって、交流電源１０の交流電圧を推算する。制御装置２０は、この推算された交流電圧が、瞬時電圧から復電する際の交流電源１０の交流電圧であると判断する。以上のような基準電圧の設定動作を、アクティブコンバーター４０が昇圧動作を実施しない期間において、制御装置２０が所定時間ごとに実施するものとすれば、交流電源１０が出力する交流電圧（一次電圧）の変動にも対応可能であり、その変動した交流電圧に対応した基準電圧を設定することができる。

なお、制御装置２０が、直流電圧検出手段２４によって検出された母線電圧Ｖｄｃに基づいて、交流電源１０の交流電圧を推算する代わりに、交流電源１０の交流電圧を検出する手段を設けて、その検出された交流電圧値を用いるものとしてもよい。

次に、アクティブコンバーター４０が昇圧動作を実施し、出力する直流電圧が昇圧されている場合、その昇圧された直流電圧は母線電圧Ｖｄｃとして直流電圧検出手段２４によって検出され、制御装置２０は、この検出された母線電圧Ｖｄｃから、直流負荷３０の変動又は電圧リップル等によるアクティブコンバーター４０の出力電圧の変動による誤検知を考慮したマージンを減算して基準電圧を設定する。すなわち、図３で示されるように、アクティブコンバーター制御部２１によってアクティブコンバーター４０の出力電圧（母線電圧Ｖｄｃ)が変動するたびに、基準電圧も連動させて変動させる。
なお、制御装置２０は、直流電圧検出手段２４によって検出された母線電圧Ｖｄｃに基づいて、アクティブコンバーター４０の出力電圧が任意の直流電圧に昇圧したと判断した場合に、その任意の直流電圧から、直流負荷３０の変動又は電圧リップル等によるアクティブコンバーター４０の出力電圧の変動による誤検知を考慮したマージンを減算して基準電圧を設定するものとしてもよい。

図４は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のアクティブコンバーター４０が昇圧動作を実施している場合において、瞬時停電から復電するまでの母線電圧Ｖｄｃの推移と突入電流抑制動作を示す図である。
図４で示されるように、アクティブコンバーター４０の昇圧動作時は、昇圧幅が大きいほど、瞬時停電から復電する際のアクティブコンバーター４０に入力される交流電圧の最大値と、瞬時停電から復電する直前の母線電圧Ｖｄｃとの差であるΔＶｉｎが小さくなり、突入電流を効果的に抑制することが可能となる。

（昇圧動作を停止する場合の動作）
図５は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のアクティブコンバーター４０が昇圧動作を停止する場合に昇圧レベルを段階的に下げる制御を示す図である。以下、図５を参照しながら、アクティブコンバーター４０が昇圧動作を停止する場合に昇圧レベルを段階的に下げる動作について説明する。

アクティブコンバーター４０が昇圧動作を停止し、通常のパッシブな整流動作に移行する場合、制御装置２０は、アクティブコンバーター制御部２１に対して、アクティブコンバーター４０による昇圧レベルを図５で示されるように段階的に下げる動作を実施させる。そして、制御装置２０は、アクティブコンバーター４０による各昇圧レベルにおいて、前述の方法によって、基準電圧を設定する。このとき、制御装置２０は、アクティブコンバーター制御部２１によるアクティブコンバーター４０への昇圧レベルの制御値が、直流電圧検出手段２４によって検出された母線電圧Ｖｄｃよりも下回ったか否かを判定する。制御装置２０は、昇圧レベルの制御値が、母線電圧Ｖｄｃを下回ったと判定した場合、この母線電圧Ｖｄｃから交流電源１０の交流電圧を推算して、基準電圧を設定する。

以上の動作によって、アクティブコンバーター４０による昇圧動作期間中に、一次電圧である交流電源１０の交流電圧が変動した場合においても、その変動した交流電圧を推算し、その推算値に基づいて、基準電圧を設定することができる。

（実施の形態１の効果）
以上のような構成及び動作のように、制御装置２０が、直流電圧検出手段２４によって検出された母線電圧が、所定の基準電圧以下となったと判定した場合に、直流負荷３０の動作を停止させることによって、母線電圧Ｖｄｃの低下を抑制し、スイッチング手段１２のオフ動作によって電流制限抵抗１１を介する経路に切り替わる前に復電した場合の突入電流を抑制することができる。

また、制御装置２０が、アクティブコンバーター４０の昇圧レベルに応じて、検出された母線電圧Ｖｄｃから、直流負荷３０の変動又は電圧リップル等によるアクティブコンバーター４０の出力電圧の変動による誤検知を考慮したマージンを減算して、差ΔＶｉｎが限界値ΔＶｒｕｓｈを超えないような基準電圧を設定することによって、瞬時停電からスイッチング手段１２がオフ動作するまでの期間に復電した場合においても、突入電流を抑制することができる。また、このように突入電流を抑制することによって、アクティブコンバーター４０を構成する半導体素子を小型化することができ、低コストを実現することができる。特に、この半導体素子が高価なＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体等によって構成されている場合、小型化による低コスト化の効果が高くなる。

また、制御装置２０がアクティブコンバーター４０の昇圧レベルの変動に応じて、基準電圧も連動させて変動させることにより、昇圧幅が大きいほど、瞬時停電から復電する際のアクティブコンバーター４０に入力される交流電圧の最大値と、瞬時停電から復電する直前の母線電圧Ｖｄｃとの差であるΔＶｉｎが小さくなり、突入電流を効果的に抑制することが可能となる。

アクティブコンバーター４０が昇圧動作を停止し、通常のパッシブな整流動作に移行する場合、制御装置２０は、アクティブコンバーター４０による昇圧レベルを段階的に下げる制御を実施し、アクティブコンバーター制御部２１によるアクティブコンバーター４０への昇圧レベルの制御値が母線電圧Ｖｄｃよりも下回ったか否かを判定することによって、アクティブコンバーター４０による昇圧動作期間中に、一次電圧である交流電源１０の交流電圧が変動した場合においても、その変動した交流電圧を推算し、その推算値に基づいて、基準電圧を設定することができる。

１０交流電源、１１電流制限抵抗、１２スイッチング手段、２０制御装置、２１アクティブコンバーター制御部、２２スイッチング制御部、２３直流負荷制御部、２４直流電圧検出手段、３０直流負荷、３１平滑コンデンサー、４０アクティブコンバーター。

Claims

半導体素子によって構成され、交流電源から交流電圧の供給を受け、該交流電圧を整流して任意の直流電圧に昇圧するアクティブコンバーターと、
該アクティブコンバーターの出力側に接続され、その両端には直流負荷が接続され、前記アクティブコンバーターが出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサーと、
前記交流電源と前記アクティブコンバーターとの間に接続され、前記交流電源から流れる電流を制限する電流制限抵抗と、
該電流制限抵抗と並列に接続されたスイッチング手段と、
前記平滑コンデンサーの両端電圧である母線電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記アクティブコンバーターが出力する直流電圧の昇圧動作を制御する制御装置と、
を備え、
該制御装置は、
前記交流電源から前記交流電圧が出力されている場合は、前記スイッチング手段をオン動作させ、前記交流電源に停電が発生した場合は、前記スイッチング手段をオフ動作させ、
前記直流電圧検出手段によって検出された前記母線電圧が、所定の基準電圧以下になったと判定した場合、前記直流負荷の動作を停止させるものであり、
前記アクティブコンバーターから出力される直流電圧の電圧レベルに応じて、前記基準電圧を設定する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記制御装置は、前記アクティブコンバーターが昇圧動作を実施している場合、前記アクティブコンバーターの出力電圧の変動による誤検知を考慮したマージンを減算して、前記基準電圧を設定する
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記制御装置は、前記アクティブコンバーターが昇圧動作を実施せず、前記交流電圧の整流動作を実施している場合、前記直流電圧検出手段によって検出された前記母線電圧に基づいて、前記交流電源の前記交流電圧を推算し、前記アクティブコンバーターの出力電圧の変動による誤検知を考慮したマージンを減算し、かつ、推算した前記交流電圧値に基づいて、前記基準電圧を設定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
前記制御装置は、前記アクティブコンバーターの昇圧動作を停止し整流動作に移行する場合、昇圧レベルを段階的に下げ、その段階的に下げた各状態において、前記アクティブコンバーターに対する前記昇圧レベルの制御値が、前記直流電圧検出手段によって検出された前記母線電圧を下回ったと判定した場合、該母線電圧に基づいて、前記交流電源の前記交流電圧を推算し、この推算した該交流電圧値に基づいて、前記基準電圧を設定する
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体である
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンドである
ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。