JP5795199B2 - 電力変換装置及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Description
この発明では、太陽光発電装置の発電電力はその電力値が大きくしかも頻繁に変動し得るため、その時々でインバータ回路のスイッチング周波数を適切に設定することは特に有効であり、太陽光発電用途に好適である。
図1に示す本実施形態のDC−DCコンバータ10は、太陽光発電装置を直流電源Eと想定し該電源Eからの直流電力を入力し、その直流入力電力を所定電圧に変換した直流出力電力として出力するものである。因みに、直流電源としては、太陽光発電装置の他、燃料電池発電装置、蓄電池装置、及び商用交流電力の直流変換装置等であってもよい。
絶縁トランス12の一次側には、スイッチング回路としてインバータ回路11が備えられている。インバータ回路11は、IGBT等のスイッチング素子SW1〜SW4を4個用いたフルブリッジ(Hブリッジ)回路にて構成される。また、これら各スイッチング素子SW1〜SW4には、逆接ダイオードD1〜D4及びコンデンサC1〜C4がそれぞれ並列に接続されている。そして、インバータ回路11は、直流電源Eから平滑コンデンサCaを介して入力される直流電力を制御回路15の制御に基づく各スイッチング素子SW1〜SW4のオンオフ動作にて高周波交流電力に変換し、変換した高周波交流電力を絶縁トランス12の一次側コイル12aに供給する。絶縁トランス12は、一次側コイル12aに供給された高周波交流電力を二次側コイル12bにて所定電圧に変換する。
即ち、コンバータ10の損失は、スイッチング損失と受動部品損失とに分類され、先の損失を生じさせるスイッチング素子SW1〜SW4は動作周波数が低いほど高効率である。一方、受動部品損失を生じさせる受動部品としてはリアクトルLbやトランス12、コンデンサCx,Ca,Cb等であり、これらは動作周波数が高いほど高効率である。従って、このような相反事項を含む各部品を組み合わせてなるコンバータ10は、スイッチング周波数fswによって、スイッチング損失や受動部品損失のいずれかの影響が強く出て、効率特性が異なってくる。図2において、出力電力が低い低出力領域では、スイッチング周波数fswが高い(f高)ほどコンバータ10が高効率となり、出力電力が中程度の中出力領域では、スイッチング周波数fswに対する効率特性に逆転が生じる。出力電力が高い高出力領域では、スイッチング周波数fswが低い(f低)ほど高効率が維持される。
先ず、[受動部品損失]として多くを占めるトランス12及びリアクトルLbのコア損失Pcoreに関して、トランス12及びリアクトルLbのコアの磁束密度をΔBとし、a〜cを定数とすると、
(1)インバータ回路11のスイッチング周波数の算出に際し、DC−DCコンバータ10の受動部品損失(コア損失Pcore)及びスイッチング損失Pswを含み、入力電圧V、入力電力P、デッドタイムTDを変数としたスイッチング周波数fswに関する損失関数Gが用いられる。この損失関数Gは、本発明者により検討されたものであり、該損失関数Gからスイッチング周波数fswを適切に設定することで、コンバータ10の損失の最小化が可能である。従って、このような損失関数Gから算出されたスイッチング周波数fswにてインバータ回路11の制御(PFM制御)を行うことで、その時々でコンバータ10の損失が最小、即ち変換効率が高効率となるようにコンバータ10を動作させることができる。
・上記実施形態では、インバータ回路11のスイッチング素子SW1〜SW4にダイオードD1〜D4とコンデンサC1〜C4とをそれぞれ並列に接続したが、コンデンサC1〜C4の省略等、インバータ回路11の構成を適宜変更してもよい。また、インバータ回路11を4個のスイッチング素子SW1〜SW4にて構成したが、数を適宜変更してもよく、例えば2個(ハーフブリッジ)で構成してもよい。この場合、使用するスイッチング素子数をnとすると、上記[数15]以下、スイッチング損失Pswに関する項をn倍とする。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
前記制御回路は、ランベルトのW関数にて表される次式、
前記一次側コイルに供給された高周波交流電力を電圧変換して二次側コイルに伝送する絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの二次側コイルから出力される高周波交流電力を所定の出力電力に変換する出力回路と、
前記インバータ回路のスイッチング周波数変調制御により前記出力電力を調整する制御回路と、を備えた電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記装置の受動部品損失及びスイッチング損失を含み、入力電圧、入力電力、デッドタイムを変数とした前記スイッチング周波数に関する損失関数を有し、該損失関数から前記電力変換装置の損失が最小となる前記スイッチング周波数の算出をその時々で行いつつ、そのスイッチング周波数に基づいて前記インバータ回路の制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
12 絶縁トランス
12a 一次側コイル
12b 二次側コイル
13 整流回路(出力回路)
14 フィルタ回路(出力回路)
15 制御回路
SW1〜SW4 スイッチング素子
Lb 平滑リアクトル(リアクトル、直列共振回路)
Cb 平滑コンデンサ(コンデンサ)
Cx 共振コンデンサ(直列共振回路)
Pcore コア損失(受動部品損失)
Psw スイッチング損失
V 入力電圧
P 入力電力
TD デッドタイム
fsw スイッチング周波数
G 損失関数
Claims (4)
- スイッチング素子のスイッチング動作により直流入力電力を高周波交流電力に変換し、後段の絶縁トランスの一次側コイルに供給するインバータ回路と、
前記一次側コイルに供給された高周波交流電力を電圧変換して二次側コイルに伝送する絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの二次側コイルから出力される高周波交流電力を所定の出力電力に変換する出力回路と、
前記インバータ回路のスイッチング周波数変調制御により前記出力電力を調整する制御回路と、を備えた電力変換装置であって、
装置にはコンデンサ及びリアクトルを含む直列共振回路が備えられ、前記インバータ回路のスイッチング動作に基づいて共振動作が行われるものであり、
前記制御回路は、前記装置の受動部品損失及びスイッチング損失を含み、入力電圧、入力電力、デッドタイムを変数とした前記スイッチング周波数に関する損失関数を有し、該損失関数から前記電力変換装置の損失が最小となる前記スイッチング周波数の算出をその時々で行いつつ、そのスイッチング周波数に基づいて前記インバータ回路の制御を行うものであって、
前記制御回路は、ランベルトのW関数にて表される次式、
- 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記出力回路は、前記絶縁トランスの二次側コイルから出力される高周波交流電力を整流して直流化を行う整流回路と、平滑リアクトル及び平滑コンデンサを有して前記整流回路の出力の平滑化を行うフィルタ回路とを備え、
前記直列共振回路は、前記絶縁トランスの二次側コイルと前記整流回路との間に直列に接続した共振コンデンサと、前記フィルタ回路の平滑リアクトルとで構成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載の電力変換装置において、
前記入力電力が太陽光発電装置の発電電力である太陽光発電用途であることを特徴とする電力変換装置。 - スイッチング素子のスイッチング動作により直流入力電力を高周波交流電力に変換し、後段の絶縁トランスの一次側コイルに供給するインバータ回路と、
前記一次側コイルに供給された高周波交流電力を電圧変換して二次側コイルに伝送する絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの二次側コイルから出力される高周波交流電力を所定の出力電力に変換する出力回路と、
を備えた電力変換装置に対し、前記インバータ回路のスイッチング周波数変調制御により前記出力電力を調整するその制御方法であって、
装置にはコンデンサ及びリアクトルを含む直列共振回路が備えられ、前記インバータ回路のスイッチング動作に基づいて共振動作が行われるものであり、
前記装置の受動部品損失及びスイッチング損失を含み、入力電圧、入力電力、デッドタイムを変数とした前記スイッチング周波数に関する損失関数を有し、該損失関数から前記電力変換装置の損失が最小となる前記スイッチング周波数の算出をその時々で行いつつ、そのスイッチング周波数に基づいて前記インバータ回路の制御を行うようにし、
前記スイッチング周波数の算出では、ランベルトのW関数にて表される次式、
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