JP5492391B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を出力する電源に接続され直流電力を交流電力に変換するインバータ装置に関する。

一般的にインバータ装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とこのインバータ回路から出力される交流電力から高調波成分を除去するＬＣフィルタから構成されている。従って、インバータ装置の高効率化を図るためには、インバータ回路、及びＬＣフィルタそれぞれの効率について考慮する必要がある。

このうちインバータ回路については、従来回路を構成するスイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴが採用されていた。そこで、このインバータ回路の高効率化を図るために、以下の特許文献１において開示される発明では、次のような構成を採用していた。

すなわち、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを使用するとともに、このＭＯＳＦＥＴのＯＮ、ＯＦＦによってＭＯＳＦＥＴに逆並列接続されてた寄生ダイオードに生ずる逆方向電流による損失を低減するために、インバータ回路に各寄生ダイオードが遮断するにあたって直流電圧源より小さな逆電圧を各寄生ダイオードに印加する逆電圧印加回路を設けている。
特開平１０−３２７５８５号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている構成では、インバータ回路についての高効率化を図ることはできても、ＬＣフィルタについての高効率化については触れられてはおらず、結果としてインバータ装置全体の効率化を考えたときに片手落ちの感が否めない。

特にインバータ回路のスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ等を採用するとスイッチング速度が速くなる。このスイッチング速度の高速化は一方で、ＬＣフィルタを構成する、例えば、珪素鋼板によってコア材が構成されるリアクトルの鉄損を大きくしてしまうことになる。これではＬＣフィルタの効率を低下させ、ひいてはインバータ装置全体の効率の低下を招く。

そのためにコア材として珪素鋼板ではなく鉄損の少ないフェライトを採用することも考えられる。確かにフェライトをコア材として使用することによって鉄損は低下し効率を維持することができる。

但し、フェライトをコア材として使用してもそのコア材が結合型である場合には磁気飽和しやすく、ＬＣフィルタとして求められる仕様を満足するためには、リアクトルを大型化するか、或いはキャパシタを大容量のものとする必要が出てくる。これらの場合は、いずれにしろ、インバータ装置全体が大型化し、それに伴う重量の増加も避けられない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、インバータ回路の高効率化に合わせて効率の良いＬＣフィルタを提供することにより、小型でかつ高効率なインバータ装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴによって構成し直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力段に設けられるＬＣフィルタと、を備えるインバータ装置であって、ＬＣフィルタを構成するリアクトルは鉄損が珪素鋼板よりも少なくなる固有抵抗の大きい磁性材料からなるコア材を使用し、かつ、リアクトルは、結合することなく、互いに独立した２つのコア材から構成される。

本発明によれば、インバータ回路の高効率化に合わせて効率の良いＬＣフィルタを提供することにより、小型でかつ高効率なインバータ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るインバータ装置１は、直流電力を出力する電源２と、商用電力系統３と接続されて、例えば系統連系システムＳを構成している。インバータ装置１は、電源２から出力される直流電力を交流電力に変換し、交流系統に接続された負荷設備（図示せず）に電力を供給するとともに、余剰電力を商用電力系統３に逆潮流する。

電源２としては、直流電力を出力する装置であり、例えば、太陽電池、バイオマス、或いは燃料電池、風力発電機等、いずれの発電装置であっても良い。

インバータ装置１内には、図１に示すように電源２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１１と、インバータ１１の出力段に設けられるＬＣフィルタ１２とから構成される。

インバータ１１は、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを使用する。また、スイッチング素子に逆電圧印加回路を組み込んで寄生ダイオードに生ずる逆方向電流による損失を低減するようにしても良い。さらには、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴではなくＯＮ抵抗の低いスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴを使用することも可能である。このようにすることによって、特に低負荷領域における特性の向上を図ることができる。

ＬＣフィルタ１２は、リアクトル１２ａとキャパシタ１２ｂから構成され、インバータ１１からの出力電流における高調波成分を除去する。本発明の実施の形態においては、リアクトルのコア材として珪素鋼板よりも鉄損の少ないフェライトを採用している。なお、リアクトルのコア材は、鉄損が珪素鋼板よりも少なくなる固有抵抗の大きい磁性材料であれば良く、例えばダストコアを採用することもできる。

また、リアクトル１２ａのコア材は結合されておらず、図２及び図３に示すように２つのコア材が互いに独立している。図２は互いに独立した２つのコア材にそれぞれコイルが巻回されている状態を示した模式図であり、図３は図２をＡ−Ａ線で切断して示す断面図である。図２及び図３に示されているように、フェライトを用いたコア材Ｂ，Ｂは結合されずに互いに独立しており、それぞれのコア材Ｂ，ＢにコイルＣが巻回されている。

すなわち、コア材が結合されていると、コイルはそれぞれのコイルに流れる電流により生ずる磁界が互いに強め合うように巻回される。このように巻回されると生ずる相互インダクタンスにより、回路としての等価なインダクタンス値を向上させることができる。

一方で、コア材が結合されていることによりコア材に生ずる磁束密度は２倍となってしまうため、コア材に用いられる材質によっては負荷電流が増えたときに（高負荷域において）磁気飽和が生ずる可能性がある。

本発明の実施の形態において説明するようにコア材Ｂにフェライトを用いると、一般的にフェライトの飽和磁束密度が低いことから上記磁気飽和が生じやすくなる。従って、そのような弊害をなくすためには、例えば、コア材Ｂの断面を非常に大きくする必要がある等、珪素鋼板をコア材Ｂに用いた場合に比べてリアクトル全体が大きく、高価なものとなってしまう。

また、リアクトルにおいてはインダクタンスを抑えて生ずる磁束密度を低減する替わりに、キャパシタの容量を大きくすることも考えられるが、キャパシタに無効電流が流れる等、結局ＬＣフィルタの高効率化を図ることは困難である。

本発明の実施の形態において説明するように、２つのコア材Ｂを互いに独立させてリアクトル１２ａを構成することによって、コア材Ｂとしてフェライトを用いたとしても磁気飽和状態になりにくくなる。また、鉄損のうち渦電流損失については、磁束密度の２乗に比例することから、コア材Ｂを結合せずに互いに独立させてリアクトル１２ａを構成することによって渦電流損失をコア材Ｂを結合させた場合よりも低減させることができる。さらに上述したように、コア材Ｂが結合されていることによって所望の仕様を達成するためにはその大きさを大きくする必要があったものが、複数のコア材Ｂ，Ｂにわけてリアクタ１２ａを構成しているので、リアクタ１２ａの大きさをこれまでよりも小さくすることができる。

リアクトル１２ａは、さらに２つのコア材を共通の非磁性材料からなるフレームに固定させることも可能である。例えば、図４に示すように、リアクトル１２ａは、例えば、黄銅といった非磁性材料によって構成されたフレームＤにそれぞれコイルＣが巻回されて独立したコア材Ｂを固定させている。このように複数のコア材Ｂ，Ｂを同じフレームに固定し、１つのユニットとすることによってインバータ装置１への装脱着が容易になりメンテナンス等の作業性の向上も図ることができる。

以上のような構成を採用することによって、インバータ回路の高効率化に合わせて効率が良く、小型化に寄与することのできるＬＣフィルタを提供することができ、従って全体として小型でかつ高効率なインバータ装置を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施の形態に係る系統連系システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るリアクトルのコア材を示す模式図である。 コア材を図２に示すＡ−Ａ線で切断して示す断面図である。 独立したコア材を固定して１つのユニットとした状態を示す模式図である。

符号の説明

１…インバータ装置、２…電源、３…商用電力系統、１１…インバータ、１２…ＬＣフィルタ、１２ａ…リアクトル、１２ｂ…キャパシタ、Ｂ…コア材、Ｃ…コイル、Ｄ…ユニット、Ｓ…系統連系システム

Claims (3)

1. スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴによって構成し直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの出力段に設けられるＬＣフィルタと、を備えるインバータ装置であって、
   前記ＬＣフィルタを構成するリアクトルは鉄損が珪素鋼板よりも少なくなる固有抵抗の大きい磁性材料からなるコア材を使用し、かつ、前記リアクトルは、結合することなく、互いに独立した２つのコア材から構成されることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記リアクトルは、２つの前記コア材が共通の非磁性材料からなるフレームに固定されることにより構成されることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記リアクトルのコア材は、フェライトであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。

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