JP5831737B2

JP5831737B2 - 双方向電力変換装置

Info

Publication number: JP5831737B2
Application number: JP2011117407A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　匡; 匡佐藤
Original assignee: 大平電子株式会社
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: JP2012239364A

Description

本発明はスイッチング電源に関し、特に交流電源から電池を充電し、また、逆に電池から交流電力を作ることができる双方向電力変換装置に関する。

従来の双方向電力変換装置の１例として特許第３３７８５２号が提供した回路がある。図７にその回路構成を示す。その特許の「発明の詳細な説明」によれば、図７における交流電源１０１、１０２の電力によって電池１１７を充電するときの動作は次のように要約できる。交流の位相が正の半波の間はスイッチ素子１０５がオンオフを繰返して、オン期間の電流はリアクトル１０３、スイッチ素子１０５、ダイオード１１１、リアクトル１０４を通って流れ、２つのリアクトルに励磁エネルギを蓄積する。そのエネルギはスイッチ素子１０５のオフ期間にダイオード１１０、電池１１７、ダイオード１１１、交流電源１０１、１０２を通って流れ、電池１１７を充電する。負の半波の間はスイッチ素子１０６がオンオフを繰返して、オン期間の間はリアクトル１０４、ダイオード１１２、スイッチ素子１０６、リアクトル１０３を通って流れ、２つのリアクトルに励磁エネルギを蓄積する。そのエネルギはスイッチ素子１０６のオフ期間にダイオード１１２、電池１１７、ダイオード１０９、リアクトル１０３、交流電源１０１、１０２を通って流れ、電池１１７を充電する。２つのスイッチ素子のオンオフを、交流電流が交流電圧に比例するように制御することによって力率の良い変換ができる。また、電池の直流電力を交流電力に変換するときは、スイッチ１１８を常にオン状態にするが、その動作は次のように要約できる。交流の正の半波を作るときはスイッチ素子１０６と１０７がオンオフを繰返す。コンデンサ１１６の電流はスイッチ素子１０６とリアクトル１０３と交流電源１０１を流れ、コンデンサ１１５の電流は交流電源１０２とリアクトル１０４とスイッチ素子１０７を流れる交流の負の半波を作るときはスイッチ素子１０５と１０８がオンオフを繰返す。

特許第３３７８５２号

図７の回路構成は昇圧チョッパと呼ばれる配線形態（トポロジ）を応用しているのでコンデンサ１１５と１１６には交流電源１０２と１０１の各々の波高値以上の電圧が充電される。例えば交流電源１０１と１０２が各々１００Ｖと仮定すると、その波高値は１４１Ｖになるので、コンデンサ１１５と１１６はいずれも１４１Ｖ以上のものを選ばなければならない。公称電圧１２Ｖの鉛蓄電池の場合、一般的に１０〜１６Ｖの間の電圧で使用するので、電池電圧はその倍になるが、２８個を越える数の電池を直列接続しなければならない。公称電圧３．２Ｖのリチウムイオン電池の場合は２．５〜４Ｖの間の電圧で使用するので１１４個を越える数の電池を直列接続しなければならない。

鉛蓄電池の場合は乗用車に使われている型が安価であるが、２８個を越えると安価とはいえない。また、寸法重量ともに大きくなり使いづらい。

そこで、本発明は、電池の数をなるべく少なくして安価で使いやすい双方向電力変換装置を提供することを目的としている。

上の目的を達成するために請求項１記載の発明は、交流電源と、その交流電源に直列に接続された中間端子を有するリアクトルと、リアクトルと交流電源の間に直列に挿入された第１のスイッチ素子と第１のダイオードからなる並列回路と、リアクトルと交流電源の間に直列に挿入された第２のスイッチ素子と第２のダイオードからなる並列回路と、一方の端子がリアクトルの中間端子に接続された電池と、リアクトルの一方の端子と電池の他方の端子の間に接続された第３のスイッチ素子と第３のダイオードからなる並列回路と、リアクトルの他方の端子と電池の他方の端子の間に接続された第４のスイッチ素子と第４のダイオードからなる並列回路と、第１ないし第４のスイッチ素子のオンオフを制御する発振制御回路を備えた双方向電力変換装置において、交流電源から電池に電力を供給する際は発振制御回路が第１ないし第２のスイッチ素子をオンオフさせ、電池から交流電源に電力を供給する際は、交流の正の半波の間は第３のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ第２のスイッチ素子をオン状態にして、リアクトルに生じるフライバック電流だけを交流電源に供給し、交流の負の半波の間は第４のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ第１のスイッチ素子をオン状態にして、リアクトルに生じるフライバック電流だけを交流電源に供給する。

請求項２記載の発明は、交流電源と、その交流電源に直列に接続されたトランスの１次巻線と、１次巻線に電磁的に結合した中間端子を持つ２次巻線と、１次巻線と交流電源の間に直列に挿入された第１のスイッチ素子と第１のダイオードからなる並列回路と、１次巻線と交流電源の間に直列に挿入された第２のスイッチ素子と第２のダイオードからなる並列回路と、一方の端子が２次巻線の中間端子に接続された電池と、２次巻線の一方の端子と電池の他方の端子の間に接続された第３のスイッチ素子と第３のダイオードからなる並列回路と、２次巻線の他方の端子と電池の他方の端子の間に接続された第４のスイッチ素子と第４のダイオードからなる並列回路と、第１ないし第４のスイッチ素子のオンオフを制御する発振制御回路を備えた双方向電力変換装置において、交流電源が電池に電力を供給する際は発振制御回路が第１ないし第２のスイッチ素子をオンオフさせ、電池から交流電源に電力を供給する際は交流の正の半波の間は第３のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ第２のスイッチ素子をオン状態にして、１次巻線に生じるフライバック電流だけを交流電源に供給し、交流の負の半波の間は第４のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ第１のスイッチ素子をオン状態にして１次巻線に生じるフライバック電流だけを交流電源に供給する。

本発明によって電池の電圧を下げることができるので、少ない本数の電池で双方向電力変換装置を動かすことができ、コスト面、移動性の面で優れているので普及しやすい。

請求項１記載の発明の実施例を示す回路図請求項２記載の発明の実施例を示す回路図本発明の別の実施例を示す回路図本発明の別の実施例を示す回路図図１の回路における波形図図１の回路における波形図従来方式の１例を示す回路図

発明を実施するための最良の形態を図１ないし図６に示した実施例及び波形図を用いて説明する。

図１は請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、１は交流電源、２はリアクトル、３は第１のスイッチ素子、４は第２のスイッチ素子、５は第３のスイッチ素子、６は第４のスイッチ素子、７〜１０は各々第１〜４のダイオード、１１は電池、１２は発振制御回路である。また、２１と２２はコンデンサ、２３はチョークコイルである。これらのコンデンサとチョークコイルは電流のスイッチングリップルを小さくする働きをしている。

交流電源１から電池１１を充電する際は、発振制御回路１２から第１のスイッチ素子３ないし第２のスイッチ素子４のゲートに信号を送り、オンオフを繰返させる。このときリアクトル２の両端に断続した交流電圧が印加され、中間端子と一方の端子または中間端子と他方の端子の間に交流電圧の半分の電圧が発生する。電池１１の電圧が交流電圧の波高値の半分より高ければ第３のダイオード９または第４のダイオード１０は導通することはない。すなわち、電池の電圧の最小値が従来の半分で良い。第１と第２のスイッチ素子３と４がオフのときは、リアクトルに蓄積された励磁エネルギがフライバック電流となって第３のダイオード９または第４のダイオード１０を通り電池１１に流れる。

オンオフの制御を、オン期間を一定にし、オフ期間を励磁エネルギの放出が完了するまでとし、オフ期間の直後に次のオン期間が始まるようにすれば、交流電流がほぼ交流電圧に比例して、力率が良くなることが知られている。このような発振の方式は臨界モードとも呼ばれているが、発振制御回路に組込むことができる。

電池から交流電流を作る際は、発振制御回路１２から、第２のスイッチ素子４のゲートに交流の半周期の期間のオン信号を送り、第３のスイッチ素子５のゲートにその半周期の期間にオンオフを繰返す信号を送る。第３のスイッチ素子５がオンのときはリアクトル２の上半分の巻線に電池１１の電圧が加わるが、第１のスイッチ素子３と第４のスイッチ素子６がオフ状態であるため交流電源１に電流は流れない。第３のスイッチ素子５がオフになると、リアクトル２に蓄積された励磁エネルギは第２のスイッチ素子４と交流電源１と第１のダイオード７を通って放出される。交流の半周期は同じ向きの断続電流が流れる。

交流の次の半周期は、発振制御回路１２から第１のスイッチ素子３のゲートに交流の半周期の期間のオン信号を送り、第４のスイッチ素子６のゲートにその半周期の期間にオンオフを繰返す信号を送る。その半周期は前の半周期とは正負が逆の断続した電流が流れる。

図５は図１の回路において充電しているときの交流電源の電圧（ａ）と励磁エネルギの蓄積と放出（ｂ）と交流電流（ｃ）を示したものである。オン期間に流れる電流の傾きは交流電圧の瞬時値に比例するが、オン期間は一定であるからピーク電流は電圧に比例し、ピーク値の包絡線は正弦波になり、それらの平均値が交流電流となる。充電電流の傾きは電池電圧に比例するが、電池電圧は交流の半周期という短い時間であれば変化が小さいのでほぼ一定である。励磁エネルギの放出が終わってから次のオン期間に入る臨界モードではオフ期間は交流電流の瞬時値に比例する。

図６は、図１の回路において電池から交流電流を作り出しているときの励磁エネルギの蓄積と放出（ａ）と交流電流（ｂ）を示したものである。

発振制御回路１２は、交流の正の半波に相当する期間、第２のスイッチ素子４をオン状態にする信号を出力すると同時に、その半波に相当する期間、第３のスイッチ素子５のオン期間が正弦波の半波の瞬時値に比例し、オフ期間が臨界モードとなる信号を出力する。

臨界モードは既述のように、オン期間にリアクトルに蓄積した励磁エネルギがオフ期間に放出し、放出が完了した直後に次のオン期間が始まる発振である。このようなオンオフを繰返すとコンデンサ２１とチョークコイル２３によって平滑された電流は正弦波になる。

交流の負の半波については、第１のスイッチ素子３と第４のスイッチ素子６を各々上述と同様にオンオフする信号を出力する。

図２は請求項２記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、図１のリアクトル２がトランス１３に置き換えられているが、トランス１３の１次巻線１３ａと２次巻線１３ｂの巻数比を変えることにより、交流電圧に比べて任意の値の低い電圧の電池を使うことができる。

回路の動作は図１の場合と同じ。

図１の実施例において、交流電源から電池を充電する際の発振制御回路１２の信号をオン期間一定の臨界モード方式を取り上げて説明したが、周期を一定にした制御方法でも良い。また、電池から交流電流を作る際の発振制御回路１２の信号についても、オン期間を正弦波の瞬時値に比例させた臨界モード方式を取り上げて説明したが、周期を一定にした制御方法でも良い。図２においても同じ。

図１及び図２において、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを応用しているが、ＭＯＳＦＥＴに寄生しているダイオードを利用することもできるので、７〜１０のダイオードを省略しても良い。

図１及び図２において、中間端子を電池の正極に接続しているが、図３のように電池の負極に接続する構成にすることも、図４のように図２と図３を合成した構成にすることも可能である。

図４において、電池から交流電源側に電力を送る場合は、交流の正の半波のときは、スイッチ素子５とスイッチ素子１４の組が同時にオンオフし、交流の負の半波のときは、スイッチ素子６とスイッチ素子１５の組が同時にオンオフする。

図４の場合、中間端子から電池１１の正極に流れる電流と中間端子から電池１８の負極に流れる電流の和がゼロのときは中間端子を省略し、コンデンサ２２と２４を１つのコンデンサに、電池１１と１８を１つの電池にすることも可能である。

図１ないし４において、スイッチ素子に並列に接続されているダイオードが導通するときに、発振制御回路１２がそのスイッチ素子を同期してオンさせることにより効率を改善できる。

回路がシンプルであることと、電池電圧が低くて済むことから応用の範囲が広がる。例えば、夜間に電池を充電して昼間放電して得られる交流電力で冷蔵庫等を動かすという用途に向いている。

また、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車は家庭で充電できる充電器を搭載しているが、その充電器を本発明の双方向電力変換装置に置き換えることにより、自動車を非常発電装置として使うことができる。

１交流電源
２リアクトル
３〜６、１４、１５スイッチ素子
７〜１０、１６、１７ダイオード
１１、１８電池
１２発振制御回路
１３トランス
２１、２２、２４コンデンサ
２３チョークコイル
１０１、１０２交流電源
１０３、１０４リアクトル
１０５〜１０８スイッチ素子
１０９〜１１２ダイオード
１１３、１１４ダイオード
１１５、１１６コンデンサ
１１７電池
１１８スイッチ

Claims

交流電源と前記交流電源に直列に接続された中間端子を有するリアクトルと前記リアクトルと前記交流電源の間に直列に挿入された第１のスイッチ素子と第１のダイオードからなる並列回路と前記リアクトルと前記交流電源の間に直列に挿入された第２のスイッチ素子と第２のダイオードからなる並列回路と一方の端子が前記リアクトルの中間端子に接続された電池と前記リアクトルの一方の端子と前記電池の他方の端子の間に接続された第３のスイッチ素子と第３のダイオードからなる並列回路と前記リアクトルの他方の端子と前記電池の他方の端子の間に接続された第４のスイッチ素子と第４のダイオードからなる並列回路と前記第１ないし第４のスイッチ素子のオンオフを制御する発振制御回路を備えた双方向電力変換装置において、前記交流電源が前記電池に電力を供給する際は前記発振制御回路が前記第１ないし第２のスイッチ素子をオンオフさせ、前記電池が前記交流電源に電力を供給する際は、交流の正の半波の間は前記第３のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記第２のスイッチ素子をオン状態にして、前記リアクトルに生じるフライバック電流だけを前記交流電源に供給し、交流の負の半波の間は前記第４のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記第１のスイッチ素子をオン状態にして、前記リアクトルに生じるフライバック電流だけを前記交流電源に供給することを特徴とする双方向電力変換装置。
交流電源と前記交流電源に直列に接続されたトランスの１次巻線と前記１次巻線に電磁的に結合した中間端子を有する２次巻線と前記１次巻線と前記交流電源の間に直列に挿入された第１のスイッチ素子と第１のダイオードからなる並列回路と前記１次巻線と前記交流電源の間に直列に挿入された第２のスイッチ素子と第２のダイオードからなる並列回路と一方の端子が前記２次巻線の中間端子に接続された電池と前記２次巻線の一方の端子と前記電池の他方の端子の間に接続された第３のスイッチ素子と第３のダイオードからなる並列回路と前記２次巻線の他方の端子と前記電池の他方の端子の間に接続された第４のスイッチ素子と第４のダイオードからなる並列回路と前記第１ないし第４のスイッチ素子のオンオフを制御する発振制御回路を備えた双方向電力変換装置において、前記交流電源が前記電池に電力を供給する際は前記発振制御回路が前記第１ないし前記第２のスイッチ素子をオンオフさせ、前記電池が前記交流電源に電力を供給する際は、交流の正の半波の間は前記第３のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記第２のスイッチ素子をオン状態にして、前記１次巻線に生じるフライバック電流だけを前記交流電源に供給し、交流の負の半波の間は前記第４のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記第１のスイッチ素子をオン状態にして、前記１次巻線に生じるフライバック電流だけを前記交流電源に供給することを特徴とする双方向電力変換装置。