JP5464910B2

JP5464910B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5464910B2
Application number: JP2009129142A
Authority: JP
Inventors: 昭宏西園
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010279166A

Description

本発明は、直流電源から出力される電力を変換する電力変換装置に関するものである。

従来、太陽電池モジュール等の直流電源から出力される電力を変換する電力変換装置が用いられている。そのような電力変換装置として、例えば、下記の特許文献１に示されたものがある。

特許文献１に示された電力変換装置では、直流電源の直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続し、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力電圧を制御する電力変換装置において、第２の直流電源と、該第２の直流電源の電圧を降圧する降圧回路とを備え、上記複数の単相インバータのうち電圧が最大である第１のインバータの直流電源電圧は、上記第２の直流電源から上記降圧回路を介して生成されるようにしている。

特開２００７−１６６７８３号公報

しかしながら、上記従来の電力変換装置では、降圧回路が故障した場合、第２の直流電源の電圧が降圧されずに第１のインバータに印加され、第１のインバータが連鎖故障することが起こり得るという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上記のような連鎖故障が起こることを防止することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置であって、前記直流電源から印加される直流電圧を降圧する降圧回路と、前記直流電源と前記降圧回路との間に直列に接続され、前記降圧回路の出力電圧が印加される後段の回路を保護する保護回路と、を備え、前記降圧回路は、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護することを兼ねた回路であり、前記保護回路は、前記降圧回路による前記後段の回路の保護に加えて、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護する多重保護回路であることを特徴とする。

本発明によれば、降圧回路が故障した場合であっても、降圧回路の後段の回路が故障することを防止することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図である。この電力変換装置の直流入力端には、直流電源１（例えば、太陽電池モジュール等）が接続されている。直流電源１の出力端には、コンデンサＣ１が並列に接続されており、コンデンサＣ１は、直流電源１の出力電圧を平滑化する。コンデンサＣ１の電圧Ｖｓは、Ｖｓ検出部６によって検出される。

直流電源１の後段には、コンデンサＣ１を介して、降圧回路としての降圧コンバータ３と昇圧回路としての昇圧チョッパ４とが直列接続されている。直流電源１と降圧コンバータ３との間には、降圧コンバータ３の出力電圧が印加される降圧コンバータ３の後段の回路を保護する保護回路２が直列に接続されている。インバータ回路５の入力となるコンデンサＣ２は、直流電源１から降圧コンバータ３と昇圧チョッパ４とを介して充電される。コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉは、Ｖｉｉ検出部８によって検出される。

保護回路２は、スイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続されたリレーＲｙ１と、を含んで構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ１は、一方向導通回路（例えば、ダイオード等）を逆並列に接続した開閉回路（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタ等）を含んで構成するようにしても良い。スイッチング素子Ｑ１は、直流電圧変換回路制御部７によって制御され、リレーＲｙ１は、リレー駆動制御部９によって制御される。

降圧コンバータ３は、スイッチング素子Ｑ２と、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ２とリアクトルＬ１との接続点にカソードが接続されたダイオードＤ１と、を含んで構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ２は、一方向導通回路を逆並列に接続した開閉回路を含んで構成するようにしても良い。スイッチング素子Ｑ２は、直流電圧変換回路制御部７によって制御される。

降圧コンバータ３には、降圧コンバータ３をバイパスするバイパスリレーＲｙ２が接続されている。本実施の形態１において、バイパスリレーＲｙ２は、スイッチング素子Ｑ２をバイパスするようにスイッチング素子Ｑ２に並列に接続されている。バイパスリレーＲｙ２は、リレー駆動制御部９によって制御される。

昇圧チョッパ４は、降圧コンバータ３に兼用して用いられるリアクトルＬ１と、整流用素子としてのダイオードＤ２と、リアクトルＬ１とダイオードＤ２との接続点に接続されたスイッチング素子Ｑ３と、を含んで構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ３は、一方向導通回路を逆並列に接続した開閉回路を含んで構成するようにしても良い。スイッチング素子Ｑ３は、直流電圧変換回路制御部７によって制御される。

インバータ回路５は、最大（瞬時値）でコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉまで出力することができる。例えば、インバータ回路５が２００Ｖの交流電力（実効値）を出力するために必要なコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉは約２８２Ｖである。このため、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが約２８２Ｖ以上であれば、電力変換装置は２００Ｖの交流出力を行うことが可能である。なお、インバータ回路５の交流出力は、系統に供給されても良いし、負荷に供給されても良い。

電力変換装置の起動時には、保護回路２内のスイッチング素子Ｑ１が直流電圧変換回路制御部７によってオン状態に制御された後にリレーＲｙ１がリレー駆動制御部９によって導通状態に制御され、降圧コンバータ３または昇圧チョッパ４が直流電圧変換回路制御部７によって制御され動作を開始する。

直流電源１が太陽電池モジュール等の場合、無負荷運転時等に直流電源１の出力電圧が定格電圧より高くなる場合がある。例えば、システム起動時に無負荷の場合、直流電源１の出力電圧が７００Ｖ程度になることがある。このように直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っていて降圧が必要である場合には、降圧コンバータ３が、直流電源１の出力電圧を所望の電圧（例えば、定格電圧等）に降圧してコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉを生成する。この場合、昇圧チョッパ４が昇圧を行う必要はないので、昇圧チョッパ４内のスイッチング素子Ｑ３はオフ状態に制御される。この観点から、降圧コンバータ３は、直流電源１の直流電圧が降圧コンバータ３の後段の回路（本実施の形態１においては、昇圧チョッパ４（特には、スイッチング素子Ｑ３）、コンデンサＣ２、およびインバータ回路５）に印加されることを防いで後段の回路を保護することを兼ねた回路となっている。また、保護回路２は、降圧コンバータ３による降圧コンバータ３の後段の回路の保護に加えて、直流電源１の出力電圧が降圧コンバータ３の後段の回路に印加されることを防いで降圧コンバータ３の後段の回路を保護する多重保護回路となっている。これにより、昇圧チョッパ４、コンデンサＣ２、インバータ回路５は、定格電圧に適した、即ち耐電圧が低い素子で構成することができ、損失が低減された効率の良い回路となる。

上述したように、直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っていて降圧が必要である場合、降圧コンバータ３が、直流電圧変換回路制御部７によって制御され、直流電源１の出力電圧の降圧を行う。即ち、バイパスリレーＲｙ２がリレー駆動制御部９によって開放状態に制御され、降圧コンバータ３内のスイッチング素子Ｑ２が直流電圧変換回路制御部７によってオンオフ制御される。これにより、バイパスリレーＲｙ２ではアークを発生することなく遮断することができ、降圧コンバータ３に降圧動作を開始させることができる。

なお、電力変換装置に求められる安全規格（例えば、電気用品安全法、ＩＥＣ等）は、降圧コンバータ３およびバイパスリレーＲｙ２によって満たされれば良い。そのため、保護回路２内のスイッチング素子Ｑ１としてスイッチング素子Ｑ２よりも耐電圧の低い小型のものを利用することができ、リレーＲｙ１としてバイパスリレーＲｙ２よりも絶縁耐圧が低い（絶縁距離が短い）小型のものを利用することができる。先に説明したように直流電源１の出力電圧が７００Ｖ程度になり得る場合には、電力変換装置に求められる安全規格を満たすため、バイパスリレーＲｙ２として、接点距離が５．６ミリメートル程度のリレーを用いる。一方、リレーＲｙ１は、電力変換装置の何処かで異常が発生した場合に、電力変換装置を停止させる制御を行うことが可能な時間を稼げる程度のリレーであれば良い。例えば、リレーＲｙ１として、ＡＣ１０００Ｖを１分間程度保たせることが可能な接点距離が１．５ミリメートル程度のリレーを用いることができる。この場合、リレーＲｙ１の大きさをバイパスリレーＲｙ２の４分の１程度の大きさにすることができる。これにより、電力変換装置が大きくなることをできるだけ抑制しながら、保護回路２を備えることができる。

また、直流電源１の出力電圧が定格電圧を下回り、さらに所定の電圧（例えば、２００Ｖ等）以下になると、昇圧チョッパ４が、直流電源１の出力電圧を昇圧してコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉを生成する。この場合、降圧コンバータ３が降圧を行う必要はないので、降圧コンバータ３はバイパスされる。即ち、バイパスリレーＲｙ２がリレー駆動制御部９によって導通状態に制御される。そして、スイッチング素子Ｑ３が直流電圧変換回路制御部７によってオンオフ制御され、直流電源１の出力電圧が所望の電圧（例えば、定格電圧等）に昇圧される。このように、バイパスリレーＲｙ２が導通状態に制御されることで、スイッチング素子Ｑ２での損失発生を防止することができると共に、昇圧チョッパ４による昇圧動作を実現することができる。

また、直流電源１の出力電圧が定格電圧を含む所定の範囲（例えば、２００Ｖ〜定格電圧等）である場合、降圧コンバータ３および昇圧チョッパ４の両方の動作を停止させることができる。この場合、バイパスリレーＲｙ２がリレー駆動制御部９によって導通状態に制御され、電流はバイパスリレーＲｙ２を流れる。

また、電力変換装置の稼働中に昇圧チョッパ４またはインバータ回路５に異常が発生し、それによりコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが所望の電圧（例えば、定格電圧等）より高電圧になった場合、バイパスリレーＲｙ２がリレー駆動制御部９によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ２が直流電圧変換回路制御部７によってオフ状態に制御され、その後リレーＲｙ１がリレー駆動制御部９によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ１が直流電圧変換回路制御部７によってオフ状態に制御される。

また、電力変換装置の稼働中に降圧コンバータ３に異常が発生し、それにより直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っているにもかかわらず降圧コンバータ３による降圧が行われずに、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが所望の電圧（例えば、定格電圧等）より高電圧になった場合、リレーＲｙ１がリレー駆動制御部９によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ１が直流電圧変換回路制御部７によってオフ状態に制御される。これにより、直流電源１の出力電圧が降圧コンバータ３の後段の回路に印加されることを防いで、降圧コンバータ３の後段の回路を保護することができる。なお、保護回路２をスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１に並列接続されたリレーＲｙ１と、で構成しているので、保護回路２が遮断状態に制御される際に、リレーＲｙ１でアークを発生させることなく、保護回路２が確実に遮断状態に制御される。

また、電力変換装置の稼働中に保護回路２に異常が発生した場合、電力変換装置に求められる安全規格は降圧コンバータ３およびバイパスリレーＲｙ２によって満たされているので、電力変換装置の稼働を継続することも可能ではあるものの、安全をより確実なものとするために、バイパスリレーＲｙ２がリレー駆動制御部９によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ２が直流電圧変換回路制御部７によってオフ状態に制御されるようにしても良い。

以上のように、本実施の形態１においては、降圧コンバータ３を備え、直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っている場合に降圧コンバータ３が直流電源１の出力電圧を所望の電圧（例えば、定格電圧等）に降圧するようにしたので、昇圧チョッパ４（特には、スイッチング素子Ｑ３）、コンデンサＣ２、およびインバータ回路５を耐電圧の低い素子で構成することができる。半導体スイッチング素子は耐圧が高くなるほど導通損失が大きくなる傾向があるので、昇圧チョッパ４、インバータ回路５を耐電圧の低い素子で構成することにより、損失が低減された変換効率の高い電力変換装置を実現することができる。

また、保護回路２を備え、電力変換装置の稼働中に降圧コンバータ３に異常が発生し、それにより直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っているにもかかわらず降圧コンバータ３による降圧が行われずに、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが所望の電圧（例えば、定格電圧等）より高電圧になった場合、リレーＲｙ１が遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ１がオフ状態に制御される。これにより、直流電源１の出力電圧が降圧コンバータ３の後段の回路に印加されることを防いで、降圧コンバータ３の後段の回路を多重保護することができる。

また、バイパスリレーＲｙ２を備え、直流電源１の出力電圧の降圧が不要な場合に降圧コンバータ３内のスイッチング素子Ｑ２をバイパスすることができるようにしたので、直流電源１の出力電圧の降圧が不要な場合に降圧コンバータ３内のスイッチング素子Ｑ２で損失が発生することを防止することができ、さらに損失低減を図ることができる。

また、本実施の形態１においては、直流電源１の出力電圧に応じて、昇圧チョッパ４による昇圧動作、降圧コンバータ３による降圧動作のどちらかを選択的に動作させるか、あるいは双方動作させないでコンデンサＣ２の直流電圧Ｖｉｉを生成するので、コンデンサＣ２の直流電圧Ｖｉｉを安定して生成でき、安定した交流出力を信頼性良く得ることができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、直流電源から出力される電力を変換する電力変換装置に有用である。

１直流電源
２保護回路
３降圧コンバータ
４昇圧チョッパ
５インバータ回路
６Ｖｓ検出部
７直流電圧変換回路制御部
８Ｖｉｉ検出部
９リレー駆動制御部
Ｃ１、Ｃ２コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ダイオード
Ｌ１リアクトル
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３スイッチング素子
Ｒｙ１リレー
Ｒｙ２バイパスリレー

Claims

直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置であって、
前記直流電源から印加される直流電圧を降圧する降圧回路と、
前記直流電源と前記降圧回路との間に直列に接続され、前記降圧回路の出力電圧が印加される後段の回路を保護する保護回路と、
安全規格を満たす絶縁耐圧を有し、前記降圧回路をバイパスするバイパスリレーと、を備え、
前記保護回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続され、前記バイパスリレーよりも絶縁耐圧が低いリレーと、を含む
ことを特徴とする電力変換装置。
直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置であって、
前記直流電源から印加される直流電圧を降圧する降圧回路と、
前記直流電源と前記降圧回路との間に直列に接続され、前記降圧回路の出力電圧が印加される後段の回路を保護する保護回路と、
安全規格を満たす絶縁耐圧を有し、前記降圧回路をバイパスするバイパスリレーと、
を備え、
前記降圧回路は、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護することを兼ねた回路であり、
前記保護回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続され、前記バイパスリレーよりも絶縁耐圧が低いリレーと、を含み、
前記降圧回路による前記後段の回路の保護に加えて、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護する多重保護回路であること
を特徴とする電力変換装置。
前記後段の回路は、前記降圧回路によって降圧された電圧を昇圧する昇圧回路を含み、
前記保護回路は、前記直流電圧が前記昇圧回路に印加されることを防いで前記昇圧回路を保護すること
を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記降圧回路に異常が発生した場合に、前記リレーを解列状態に遷移させ、その後前記スイッチング素子を遮断状態に遷移させることにより、前記後段の回路を保護すること
を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記保護回路に異常が発生した場合に、前記バイパスリレーを解列状態に遷移させ、その後前記降圧回路を停止させること
を特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置。