JP5653458B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

一般に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置は、直流電源からの直流電圧を安定化させるコンデンサと、コンデンサで安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えている。また、インバータでは、半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴い、リプル電流が発生する。インバータで発生したリプル電流はコンデンサに吸収される（たとえば、特開２００６−８７２１２号公報（特許文献１）参照）。

特開２００６−８７２１２号公報

このような電力変換装置では、一般に、コンデンサとしてアルミ電解コンデンサが使用されている。このアルミ電解コンデンサには、容量値が大きいという長所がある一方、リプル電流の供給能力（吸収能力）が低いという短所がある。このため、インバータが必要とするリプル電流を供給するには、複数のアルミ電解コンデンサを並列接続して使用する必要があり、装置が大型化、コスト高になるという問題がある。

なお、リプル電流は高周波の交流電流であるので、インバータで発生したリプル電流はコンデンサに吸収されるということと、コンデンサからインバータにリプル電流が供給されるということとは、同義である。

また、このような電力変換装置では、コンデンサからインバータにリプル電流を供給するため、コンデンサとインバータを近接して配置し、コンデンサとインバータの間の配線のインダクタンス成分を小さくする必要がある。このため、装置設計の自由度が小さいという問題もある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、装置の小型化、低コスト化が可能で、設計の自由度が大きな電力変換装置を提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、直流電源からの直流電圧を安定化させる直流安定化回路と、直流安定化回路によって安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えたものである。直流安定化回路は、直流電源からの直流電圧を受ける第１および第２の入力端子と、インバータに接続される第１および第２の直流出力端子と、第１および第２の入力端子間に接続され、第１および第２の入力端子間の直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、第１および第２の入力端子と第１および第２の直流出力端子との間に接続され、直流安定化回路が発振するのを防止するノーマルモードの可飽和リアクトルと、第１および第２の直流出力端子間に接続され、インバータにリプル電流を供給するフィルムコンデンサとを含む。可飽和リアクトルは、第１の直流出力端子と第１の入力端子との間に接続された第１のコイルと、第２の入力端子と第２の直流出力端子との間に接続された第２のコイルとを有する。

好ましくは、平滑コンデンサは電解コンデンサである。
また好ましくは、平滑コンデンサは電気二重層コンデンサである。

また好ましくは、平滑コンデンサの容量値はフィルムコンデンサの容量値よりも大きい。

また好ましくは、直流安定化回路は、さらに、一方端子が第１の入力端子に接続され、他方端子が第１のコイルを介して第１の直流出力端子に接続されたヒューズを含む。

この発明に係る電力変換装置では、平滑コンデンサによって直流電圧を平滑化し、フィルムコンデンサによってリプル電流を供給し、可飽和リアクトルによって発振を防止する。したがって、平滑コンデンサはリプル電流を供給する必要が無いので、小型で低価格のもので足りる。また、フィルムコンデンサのみをインバータに近接配置し、平滑コンデンサはインバータから離間させて配置できるので、設計の自由度が大きくなり、インバータ部分の小型化を図ることができる。

この発明の一実施の形態による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した可飽和リアクトルの効果を説明するための回路図である。 実施の形態の変更例を示す回路図である。

本発明の一実施の形態による電力変換装置は、図１に示すように、直流電源１から供給される直流電力を交流電力に変換する装置であって、直流安定化回路２およびインバータ３を備える。

直流電源１は、直流電力を供給する装置であり、たとえば、交流電力を直流電力に変換するコンバータである。また、直流電源１は、交流電圧を整流する整流回路でもよいし、直流電力を蓄えたバッテリでもよいし、直流電力を発生する太陽電池、燃料電池でもよい。

直流安定化回路２は、直流電源１からの直流電圧を安定化させる回路であって、入力端子Ｔ１，Ｔ２、直流出力端子Ｔ３，Ｔ４、アルミ電解コンデンサ４、可飽和リアクトル５、およびフィルムコンデンサ６を含む。

入力端子Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ直流電源１の正側出力端子１ａおよび負側出力端子１ｂに接続され、直流電源１から出力された直流電圧を受ける。アルミ電解コンデンサ４は、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続され、直流電源１からの直流電圧に充電される。直流電源１から出力された直流電圧は、アルミ電解コンデンサ４によって平滑化される。上述したように、アルミ電解コンデンサ４には、容量値が大きいという長所がある一方、リプル電流の供給能力（吸収能力）が低いという短所がある。

フィルムコンデンサ６は、直流出力端子Ｔ３とＴ４の間に接続される。フィルムコンデンサ６は、リプル電流の供給能力（吸収能力）が高く、寿命が長いという長所を有するが、容量値が小さいという短所を有する。フィルムコンデンサ６は、容量値が小さいので直流平滑用コンデンサには不向きであり、また蓄積エネルギーも小さいので瞬低時などのバックアップ用コンデンサとしても不向きである。また、大きな容量値を得るためには、複数のコンデンサを並列接続して使用する必要があり、装置の大型化、高コスト化を招くという問題がある。

そこで、本願発明では、アルミ電解コンデンサ４およびフィルムコンデンサ６の両方を使用し、一方の短所を他方の長所で補完する。ただし、図２に示すように、アルミ電解コンデンサ４とフィルムコンデンサ６を単に並列接続しただけでは、それらの間の配線７のインダクタンス成分とコンデンサ４，６によって共振回路が形成される。その共振回路の共振周波数とインバータ３のスイッチング周波数とが近接すると、その共振回路に共振リプル電流が流れ、コンデンサ４，６が過熱してしまう。

そこで、本願発明では、図１に示すように、フィルムコンデンサ６をインバータ３の直近に配置し、このフィルムコンデンサ６とアルミ電解コンデンサ４を可飽和リアクトル５で接続する。これにより、コンデンサ４，６間の高周波インピーダンスを高くすることができ、共振現象が抑制される。

また、インバータ３への高周波リプル電流の供給はフィルムコンデンサ６のみで行ない、直流電圧の平滑化はアルミ電解コンデンサ４で行なうことが可能となり、リプル電流供給と直流平滑化を分離して設計することが可能となる。

また、アルミ電解コンデンサ４に流れるリプル電流が小さくなるので、内部抵抗の高い安価なアルミ電解コンデンサ４を使用することができる。さらには、フィルムコンデンサ６は小型であるので、コンデンサ６およびインバータ３を含む電力変換部を小型にし、アルミ電解コンデンサ４を電力変換部から離れた位置に配置することが可能となり、設計の自由度が増す。

可飽和リアクトル５は、電磁結合された２本のコイル５ａ，５ｂを含む。コイル５ａの一方端子は直流出力端子Ｔ３に接続され、その他方端子は入力端子Ｔ１に接続される。コイル５ｂの一方端子は入力端子Ｔ２に接続され、その他方端子は直流出力端子Ｔ４に接続される。

可飽和リアクトル５のリアクタンスＬは、可飽和リアクトル５の端子間に印加される電圧Ｖと時間ｔの積Ｖ・ｔによって変化し、Ｖ・ｔが所定値よりも低い場合は一定の値を有し、Ｖ・ｔが所定値を越えると急激に低下する。したがって、可飽和リアクトル５のリアクタンスＬは、高周波電圧に対しては高い値になり、低周波電圧および直流電圧に対しては低い値になる。このため、アルミ電解コンデンサ４で平滑化された直流電圧は、可飽和リアクトル５を通過してインバータ３に供給されるが、インバータ３のスイッチング動作に伴って発生する高周波のリプル電圧は、可飽和リアクトル５を通過しない。

インバータ３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６、および交流出力端子Ｔ５〜Ｔ７を含む。

ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３のコレクタはともに直流出力端子Ｔ３に接続され、それらのエミッタはそれぞれ交流出力端子Ｔ５〜Ｔ７に接続される。ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のコレクタはそれぞれ交流出力端子Ｔ５〜Ｔ７に接続され、それらのエミッタはともに直流出力端子Ｔ４に接続される。ダイオードはＤ１〜Ｄ６は、それぞれＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６に逆並列に接続される。制御回路（図示せず）は、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のゲートの各々に制御信号を与え、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の各々を所定のタイミングでオン／オフさせて、直流電圧を三相交流電圧に変換する。

たとえば、交流出力端子Ｔ５〜Ｔ７に三相負荷（たとえば、三相モータ）を接続し、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ６，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ３，Ｑ５の順序で６０度ずつ位相をずらせて１２０度ずつオンさせることにより、三相負荷に三相交流電力を供給することができる。

なお、この実施の形態では、直流平滑用、エネルギー蓄積用、バックアップ用のコンデンサとしてアルミ電解コンデンサ４を使用したが、アルミ電解コンデンサ４の代わりに電気二重層コンデンサや各種電池を使用しても同じ効果が得られる。

また、可飽和リアクトル５の代わりに通常のリアクトルを使用してもよい。通常のリアクトルであっても、リアクトルのインピーダンスは周波数に比例して増大するので、リアクトルによって高周波リプル電流を遮断することができ、共振現象の発生を抑制することができる。

図３は、この実施の形態の変更例を示す回路図であって、図１と対比される図である。図３において、この変更例では、直流安定化回路２にヒューズ８が追加される。ヒューズ８は、入力端子Ｔ１と可飽和リアクトル５のコイル５ａの他方端子との間に介挿される。この変更例では、インバータ３のＩＧＢＴが故障して短絡状態になったとき、ヒューズ８がブローされるので、ＩＧＢＴの短絡故障の影響を緩和することができる。また、ヒューズ８を可飽和リアクトル５のアルミ電解コンデンサ４側に設けたので、ヒューズ８に高周波リプル電流が流れることを考慮せずに、ヒューズ８を容易に選定することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 直流電源、１ａ 正側出力端子、１ｂ 負側出力端子、２ 直流安定化回路、３ インバータ、４ アルミ電解コンデンサ、５ 可飽和リアクトル、５ａ，５ｂ コイル、６ フィルムコンデンサ、７ 配線、８ ヒューズ、Ｑ１〜Ｑ６ ＩＧＢＴ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、Ｔ１，Ｔ２ 入力端子、Ｔ３，Ｔ４ 直流出力端子、Ｔ５〜Ｔ７ 交流出力端子。

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
   直流電源（１）からの直流電圧を安定化させる直流安定化回路（２）と、
   前記直流安定化回路（２）によって安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（３）とを備え、
   前記直流安定化回路（２）は、
   前記直流電源（１）からの直流電圧を受ける第１および第２の入力端子（Ｔ１，Ｔ２）と、
   前記インバータ（３）に接続される第１および第２の直流出力端子（Ｔ３，Ｔ４）と、
   前記第１および第２の入力端子（Ｔ１，Ｔ２）間に接続され、前記第１および第２の入力端子（Ｔ１，Ｔ２）間の直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ（４）と、
   前記第１および第２の入力端子（Ｔ１，Ｔ２）と前記第１および第２の直流出力端子（Ｔ３，Ｔ４）との間に接続され、前記直流安定化回路（２）が発振するのを防止するノーマルモードの可飽和リアクトル（５）と、
   前記第１および第２の直流出力端子（Ｔ３，Ｔ４）間に接続され、前記インバータ（３）にリプル電流を供給するフィルムコンデンサ（６）とを含み、
   前記可飽和リアクトル（５）は、前記第１の直流出力端子（Ｔ３）と前記第１の入力端子（Ｔ１）との間に接続された第１のコイル（５ａ）と、前記第２の入力端子（Ｔ２）と前記第２の直流出力端子（Ｔ４）との間に接続された第２のコイル（５ｂ）とを有する、電力変換装置。
2. 前記平滑コンデンサ（４）は電解コンデンサである、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記平滑コンデンサ（４）は電気二重層コンデンサである、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記平滑コンデンサ（４）の容量値は前記フィルムコンデンサ（６）の容量値よりも大きい、請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記直流安定化回路（２）は、さらに、一方端子が前記第１の入力端子（Ｔ１）に接続され、他方端子が前記第１のコイル（５）を介して前記第１の直流出力端子（Ｔ３）に接続されたヒューズ（８）を含む、請求項１に記載の電力変換装置。

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