JP5968633B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング回路及び絶縁トランスを備える電力変換装置に関するものである。

電力伝送において、従来からの交流給電方式に加えて直流給電方式が知られている。直流給電方式は、高効率な電力伝送が可能で昨今の省エネルギー化に寄与でき、加えて電力系統分野等においては系統周波数の維持を考慮する必要がない等の利点がある。また、環境に優しいとされることで注目されている太陽電池や燃料電池等、直流電力を生成する発電システムとも本質的に相性がよい。

このような直流給電方式が普及するためには、任意に電路開閉ができることに加え、電源側と負荷側との間で絶縁させることが必要となってくる。周期的に電流や電圧がゼロを含めて変化する先の交流給電方式の場合であれば、開閉器（遮断器）やトランス等を用いることでそれら各要求に比較的容易に対応可能であるが、周期的に電流や電圧がゼロにならない直流給電方式では、それらの各要求に対応するのが難しい。電流や電圧が生じている状態で電路を開閉させると、接点部で過大なアークが生じてしまうためである。そのため、真空中や油中で電路を開閉させる真空遮断器や油遮断器が知られるが、装置が大掛かりで小規模のシステムには特に不向きであり、またアークの発生を完全に抑えるものではないため、電磁波の発生や接点部の消耗といった問題が依然として残る。

これを踏まえた対応策としては、例えば特許文献１に開示の技術のように、直流電源（蓄電池）電圧と負荷電圧とが等しく電圧差がゼロになった時に電路を閉じ、直流電源からの電流がゼロとなった時に電路を開けるようにするものがある。

特開２０１０−４０３４８号公報

しかしながら、特許文献１に示されるように、電路開閉のタイミングが制限されるため、周期的に電流や電圧がゼロにならない直流給電方式では、過大なアークを生じさせずに任意なタイミングで電路を開閉することが難しいという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、直流系統上に設置されて電源−負荷間の絶縁性を図り、また任意なタイミングでの電路開閉が可能な機能を有する電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、スイッチング動作により入力直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記交流電力の一次側コイルへの入力に基づき、二次側コイルにて所定の交流電力を生成する絶縁トランスと、前記絶縁トランスの二次側コイルにて生成される交流電力を出力直流電力に変換する直流変換回路とを備えた電力変換装置であって、前記絶縁トランスの一次側又は二次側に生じる交流電力の電路開閉を行い、前記電力変換装置の設置される直流系統の電路開閉を行う電路開閉手段を備えており、前記電路開閉手段の開動作タイミングは、前記絶縁トランスの一次側電流又は二次側電流がゼロとなるタイミングであることをその要旨とする。

この発明では、直流系統にて電圧変換等で用いる電力変換装置として絶縁トランスを有する絶縁型のものを用いることで、直流系統上の電源−負荷間の絶縁性を図ることができる。加えて、絶縁トランスの一次側又は二次側に交流電力が生じる区間が生じることに着目し、その交流電力の生じる電路を開閉する電路開閉手段が設けられる。つまり、周期的に電流がゼロとなるタイミングで電路開閉手段による開動作を行えば、開閉器にて生じ得るアークを十分に抑えつつ、電力変換装置の設置された直流系統の電路を任意なタイミングで開路することができる。また、スイッチング回路の停止状態で電路開閉手段による閉動作を行えば、開閉器にかかる電圧・電流がゼロであるため、開閉器でのアークを抑制しつつ、直流系統の電路を任意なタイミングで開路させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記絶縁トランスの一次側又は二次側に生じる交流電力を正弦波状とすべく共振動作を行う共振回路が備えられ、その交流電力の電路開閉を行う前記電路開閉手段が備えられることをその要旨とする。

この発明では、共振回路にて、絶縁トランスの一次側又は二次側に生じる交流電力が正弦波状となるため、電路開閉手段による特に開動作において、より確実に電流ゼロのタイミングでその開動作が可能となる。そのため、より確実に開閉器でのアークの発生を抑制できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電力変換装置において、前記直流変換回路は、整流回路とフィルタ回路とを備えるものであり、前記共振回路は、前記絶縁トランスの一次側又は二次側の交流電力の電路上のいずれかに配置されるコンデンサと、前記フィルタ回路を構成するリアクトルとを含んで構成されたことをその要旨とする。

この発明では、共振回路は、絶縁トランスの一次側又は二次側の交流電力の電路上のいずれかに配置されるコンデンサと、直流変換回路のフィルタ回路を構成するリアクトルとを含んで構成される。これにより、共振回路とフィルタ回路とでリアクトルの共有化が図られるため、回路素子数の低減が可能である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、前記スイッチング回路は、４組のスイッチング素子を用いるフルブリッジ型のインバータ回路にて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、スイッチング素子を４組用いるフルブリッジ型のインバータ回路（スイッチング回路）を備える電力変換装置に適用される。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電力変換装置において、前記インバータ回路のスイッチング周波数は、前記共振回路の共振周波数に一致させて設定されたことをその要旨とする。

この発明では、インバータ回路のスイッチング周波数が共振回路の共振周波数に一致させて設定される。つまり、絶縁トランスの一次側又は二次側での交流電力の電路上のインピーダンスが最小となることから、生じる交流電力がより確実に正弦波状となる。これにより、電路開閉手段による特に開動作において、より確実に電流ゼロのタイミングでその開動作が可能となり、より確実に開閉器でのアークの発生を抑制できる。

本発明によれば、直流系統上に設置されて電源−負荷間の絶縁性を図り、また任意なタイミングでの電路開閉が可能な機能を有する電力変換装置を提供することができる。

実施形態における電力変換装置としてのＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。 コンバータの動作を説明するための波形図。 別例におけるコンバータの回路図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示す本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、太陽光発電装置等の直流電源から出力される直流電力を入力し、その入力直流電力を所定電圧に変換した出力直流電力として出力するというように、直流系統上に設置されるものである。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がある。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、平滑コンデンサＣａ、インバータ回路１１、絶縁トランス１２、共振コンデンサＣｘ、開閉器（遮断器）ＬＳ、整流回路１３、及びフィルタ回路１４を備えている。

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４個のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を用いたフルブリッジ型にて構成される。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、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交流電力に変換し、変換した交流電力を絶縁トランス１２の一次側コイル１２ａに出力する。絶縁トランス１２は、一次側コイル１２ａに入力された交流電力に基づき、二次側コイル１２ｂにて所定の交流電力を生成する。

絶縁トランス１２の二次側では、その二次側コイル１２ｂの一端が共振コンデンサＣｘ及び開閉器ＬＳを介して整流回路１３に接続され、二次側コイル１２ｂの他端が整流回路１３に直接的に接続されている。共振コンデンサＣｘは、後記のフィルタ回路１４の平滑リアクトルＬｂとで共振動作させるものである。開閉器ＬＳは、コンバータ１０の設置された直流系統上の電源−負荷間の電路を開閉させるために設けられている。整流回路１３は、４個のダイオードＤ５〜Ｄ８を用いたフルブリッジ型にて構成される。整流回路１３の後段には、フィルタ回路１４が備えられている。フィルタ回路１４は、平滑リアクトルＬｂ及び平滑コンデンサＣｂで構成されており、整流回路１３を経た直流電力の平滑化を行って出力直流電力として負荷側に出力する。

ここで、絶縁トランス１２の二次側を簡単な等価回路として考えた場合、二次側コイル１２ｂ、共振コンデンサＣｘ、平滑リアクトルＬｂ、及び負荷を直列接続した回路として考えられる。このような等価回路では、二次側コイル１２ｂにて生じる交流電力の周波数を共振コンデンサＣｘ及び平滑リアクトルＬｂの共振周波数に近づけることで、インピーダンスが小さくなる。二次側コイル１２ｂにて生じる交流電力の周波数は、インバータ回路１１（スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４）のスイッチング周波数であり、このスイッチング周波数を共振周波数に近づけることで、等価回路のインピーダンスが小さくなる。スイッチング周波数を共振周波数に一致させると、等価回路のインピーダンスが最小となる。

従って、インバータ回路１１（スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４）のスイッチング動作を制御する制御回路１５では、そのスイッチング周波数が共振コンデンサＣｘ及び平滑リアクトルＬｂの共振周波数を考慮して設定、本実施形態では一致するように設定されている。そして、制御回路１５によるインバータ回路１１のＰＷＭ制御にて、その時々で適切な出力電力がその時々の入力電力から変換されて出力されるようになっている。

次に、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作（作用）について説明する。
図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作態様を示す波形図であり、制御回路１５からインバータ回路１１の各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートに制御信号（図中、スイッチゲート電圧参照）が入力され、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が所定の組み合わせ同士で交互にスイッチング動作し、交流電力が生成され、後段の絶縁トランス１２に供給される。尚、同図２においては、インバータ回路１１を制御する制御信号のデューティが最大に設定された態様である。

このとき、インバータ回路１１のスイッチング周波数は、絶縁トランス１２の二次側の共振コンデンサＣｘ及び平滑リアクトルＬｂの共振周波数と一致させているため、二次側等価回路のインピーダンスが最小となる。これは、電圧に対する電流の位相ズレが改善され特定周波数（共振周波数）の正弦波電流となることから、整流回路１３のダイオードＤ５〜Ｄ８は導通電流が略ゼロになってからオフし、また印加電圧が略ゼロの状態になってオンするようになる。つまり、整流回路１３のダイオードＤ５〜Ｄ８ではゼロ電流、ゼロ電圧でのスイッチング動作（ＺＣＳ，ＺＶＳ）が可能となり（図中、整流ダイオード導通電流、印加電圧参照）、整流動作時の動作損失（導通損失、リカバリ損失）及びこれに伴うノイズがそれぞれ低減される。

また、絶縁トランス１２の一次側のインバータ回路１１においても、トランス１２の二次側の影響を受けて、同様に正弦波電流が流れるようになる（図中、トランス印加電流参照）。これにより、インバータ回路１１の各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の略ゼロ電流でのスイッチング（ＺＣＳ）が可能となる（図中、スイッチ導通電流参照）。また、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に並列接続されるコンデンサＣ１〜Ｃ４により、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の略ゼロ電圧でのスイッチング（ＺＶＳ）が可能となる（図中、スイッチ印加電圧参照）。更に、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に並列接続されるダイオードＤ１〜Ｄ４に関しても、二次側と同様、ゼロ電流、ゼロ電圧スイッチング（ＺＣＳ，ＺＶＳ）が可能となる。こうして、絶縁トランス１２の一次側においても、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４及び各ダイオードＤ１〜Ｄ４の動作損失及びノイズがそれぞれ低減される。

また、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、直流系統上の電源−負荷間の電路開閉を行う機能も有している。本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、インバータ回路１１及び絶縁トランス１２を備え、一部に交流電路が生じることと、上記した共振動作により交流電路上の交流電力（電流）の歪みの小さい正弦波状に波形成形されることで、任意な電路開閉を容易に行うことができるようになっている。

直流系統上の電源−負荷間の電路を開路（遮断）とする場合において、制御回路１５は、絶縁トランス１２の一次側電流又は二次側電流がゼロとなるタイミングで開閉器ＬＳを開動作させる。その際、制御回路１５は、トランス１２の一次側電流又は二次側電流の検出を行っており、該検出に基づいて電流がゼロとなるタイミングで開閉器ＬＳを開動作させている。上記した共振動作にて、トランス１２の一次側電流又は二次側電流が正弦波状、即ち周期的に電流がゼロとなることから、開閉器ＬＳ内部の接点部に生じ得るアークを十分に抑えつつ、コンバータ１０の設置された直流系統の電路を任意なタイミングで開路させることが可能である。

因みに、直流系統上の電源−負荷間の電路を閉路（接続）とする場合、制御回路１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０（インバータ回路１１）の動作前、即ち電圧ゼロ、電流ゼロの状態で開閉器ＬＳを閉動作させるため、同様に開閉器ＬＳでのアークを抑制でき、任意なタイミングにて直流系統の電路を閉路させることができる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）直流系統上に設置する本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、絶縁トランス１２を有する絶縁型である。つまり、直流系統上の電源−負荷間の絶縁性を図ることができる。加えて、絶縁トランス１２の一次側又は二次側に交流電力が生じる区間が生じることに着目し、その交流電力の生じる電路を開閉する開閉器ＬＳが設けられている。そして、制御回路１５の制御により、周期的に電流がゼロとなるタイミングで開閉器ＬＳが開動作されることで、開閉器ＬＳにて生じ得るアークを十分に抑えつつ、コンバータ１０の設置された直流系統の電路を任意なタイミングで開路することができる。また、インバータ回路１１の停止状態で開閉器ＬＳの閉動作を行えば、開閉器ＬＳにかかる電圧・電流がゼロであるため、開閉器ＬＳでのアークを抑制しつつ、直流系統の電路を任意なタイミングで開路させることができる。

（２）共振コンデンサＣｘ及び平滑リアクトルＬｂにて構成される共振回路の共振動作にて、絶縁トランス１２の一次側又は二次側に生じる交流電力が正弦波状となる。本実施形態では、インバータ回路１１のスイッチング周波数をその共振回路の共振周波数に一致させることで、交流電力を正弦波状としている。そのため、開閉器ＬＳの特に開動作において、より確実に電流ゼロのタイミングでその開動作が可能となる。そのため、より確実に開閉器ＬＳでのアークの発生を抑制することができる。

（３）共振回路は、絶縁トランス１２の二次側コイル１２ｂに接続される共振コンデンサＣｘと、フィルタ回路１４を構成する平滑リアクトルＬｂとで構成されている。これにより、共振回路とフィルタ回路１４とでリアクトルＬｂの共有化が図られるため、回路素子数の低減を図ることができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・インバータ回路１１のスイッチング周波数を共振コンデンサＣｘ及び平滑リアクトルＬｂの共振周波数に一致させたが、二次側のインピーダンスが十分に小さく整流回路１３を構成する素子での動作損失が十分に低減できる範囲であれば、スイッチング周波数を共振周波数の付近で若干ずらして設定してもよい。

・開閉器ＬＳや共振コンデンサＣｘの配置を適宜変更してもよい。絶縁トランス１２の二次側コイル１２ｂの一端に共振コンデンサＣｘを接続し、開閉器ＬＳを介して整流回路１３に接続したが、例えば共振コンデンサＣｘと開閉器ＬＳとを入れ替えてもよい。また、共振コンデンサＣｘを二次側コイル１２ｂの一端と整流回路１３との間に、開閉器ＬＳをコイル１２ｂの他端と整流回路１３との間に配置してもよい（図３参照）。また、開閉器ＬＳと共振コンデンサＣｘとを絶縁トランス１２の一次側コイル１２ａとインバータ回路１１との間に適宜配置してもよい。また、共振コンデンサＣｘを省略した態様でもよい。

・トランス１２の二次側の整流回路の構成を適宜変更してもよい。ダイオードＤ５〜Ｄ８のフルブリッジ回路よりなる整流回路１３を用いたが、例えば図３に示すように、スイッチング素子ＳＷ５〜ＳＷ８のフルブリッジ回路よりなる同期整流回路１３Ａを用いてもよい。スイッチング素子ＳＷ５〜ＳＷ８には、ダイオードＤ５〜Ｄ８とコンデンサＣ５〜Ｃ８とがそれぞれ並列に接続される。上記の共振動作及びコンデンサＣ５〜Ｃ８にてゼロ電流（ＶＣＳ）、ゼロ電圧（ＺＶＳ）でのスイッチングが可能となり、このスイッチング素子ＳＷ５〜ＳＷ８においても動作損失が低減される。

また、同期整流回路１３Ａを用いることで、この同期整流回路１３Ａをインバータとして、インバータ回路１１を整流回路としてそれぞれ動作させれば、入出力を適宜切り替えて使用可能な双方向電力変換装置とすることができる。電源側に電力供給と充電とが必要な蓄電池装置を用いるシステム等に好適である。また、平滑コンデンサＣａとインバータ回路１１との間にリアクトルを配置すれば、回路構成が入力側と出力側とで対称となる。

また、倍電圧整流回路等、その他の整流回路を用いてもよい。
・トランス１２の一次側のスイッチング回路の構成を適宜変更してもよい。インバータ回路１１において、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４と並列にコンデンサＣ１〜Ｃ４を接続したが、コンデンサＣ１〜Ｃ４を省略してもよい。また、インバータ回路１１はスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を用いるフルブリッジ型であったが、例えばハーフブリッジ型、プッシュプル型等のスイッチング回路を用いてもよい。

１１ インバータ回路（スイッチング回路）
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（直流変換回路）
１３Ａ 整流回路（直流変換回路）
１４ フィルタ回路（直流変換回路）
１５ 制御回路（電路開閉手段）
Ｃｘ 共振コンデンサ（共振回路）
ＬＳ 開閉器（電路開閉手段）
Ｌｂ 平滑リアクトル（共振回路）
ＳＷ１−ＳＷ４ スイッチング素子

Claims (5)

1. スイッチング動作により入力直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、
   前記交流電力の一次側コイルへの入力に基づき、二次側コイルにて所定の交流電力を生成する絶縁トランスと、
   前記絶縁トランスの二次側コイルにて生成される交流電力を出力直流電力に変換する直流変換回路と
   を備えた電力変換装置であって、
   前記絶縁トランスの一次側又は二次側に生じる交流電力の電路開閉を行い、前記電力変換装置の設置される直流系統の電路開閉を行う電路開閉手段を備えており、
   前記電路開閉手段の開動作タイミングは、前記絶縁トランスの一次側電流又は二次側電流がゼロとなるタイミングであることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記絶縁トランスの一次側又は二次側に生じる交流電力を正弦波状とすべく共振動作を行う共振回路が備えられ、その交流電力の電路開閉を行う前記電路開閉手段が備えられることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記直流変換回路は、整流回路とフィルタ回路とを備えるものであり、
   前記共振回路は、前記絶縁トランスの一次側又は二次側の交流電力の電路上のいずれかに配置されるコンデンサと、前記フィルタ回路を構成するリアクトルとを含んで構成されたことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記スイッチング回路は、４組のスイッチング素子を用いるフルブリッジ型のインバータ回路にて構成されたことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記インバータ回路のスイッチング周波数は、前記共振回路の共振周波数に一致させて設定されたことを特徴とする電力変換装置。