JP6125761B2 - インバータ装置、電力変換装置、及び分散電源システム - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置に関する。

従来より、太陽光発電システム等の分散電源システムなどにおいては、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置が用いられる。

商用系統と連系して系統に交流電力を供給する分散電源システムにおけるインバータ装置は、系統連系機能のみでなく、所定の自立運転用出力端子に交流電力を出力し、分散電源システム独立で負荷に電力供給させる自立運転機能も備えている（自立運転については例えば特許文献１参照）。

このような自立運転制御においては、一般的に、力行モード（インバータから負荷へ電力供給するスイッチングモード）と、回生モード（負荷からインバータに含まれる平滑コンデンサへ電力が戻されるスイッチングモード）を組み合わせたスイッチングパターンでインバータ制御が行われる。

特開２００１−３７２４６号公報

しかしながら、系統連系時のインバータの変換効率を向上させるために、インバータ回路のブリッジ部にスイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いる場合、力行モード・回生モードの切り替え時において、ＭＯＳ−ＦＥＴに接続された逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流による短絡モードが発生する場合がある。一般的に、ＦＥＴの逆並列ダイオードは逆回復時間が長く、主回路へスイッチング損失増加などの負担となり、また故障の原因となる。

上記問題点に鑑み、本発明は、ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流による短絡モードの発生を抑制し、スイッチング素子の損失低下と信頼性を向上させることができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のインバータ装置は、入力側に設けられた平滑コンデンサと、ブリッジ部を構成する逆並列ダイオードが接続されたスイッチング素子を含む複数のスイッチング素子と、リアクトルとコンデンサを含むフィルタ部と、を有したインバータ回路部と、
自立運転において回生モードから力行モードへ切替える際に、前記ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流によって前記平滑コンデンサ及び前記リアクトルを介した電流の還流を生じさせるようなスイッチングモードで前記複数のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
を備えた構成とする。

このような構成によれば、自立運転において回生モードから力行モードへ切替える際に、ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流によって平滑コンデンサ及びリアクトルを介した電流の還流が生じる。例えばＦＥＴの場合、逆並列ダイオードは逆回復時間が長いが、リアクトルを介した還流であるため、短絡モードとはならない。従って、インバータ回路部へのスイッチング損失増加などの負担を抑制し、信頼性を向上させることができる。

また、上記構成において、回生モードにおいて、前記スイッチング制御部は、前記ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに常時電流を転流させるようなスイッチングモードで前記複数のスイッチング素子を制御する構成としてもよい。

このような構成によれば、回生モードにおいて、リカバリ電流による短絡モードの発生を抑制できる。

また、上記いずれかの構成において、前記インバータ回路部は、直列接続されるハイサイド側の第１平滑コンデンサ及びローサイド側の第２平滑コンデンサを備え、
前記スイッチング制御部による複数のスイッチングモードによって前記ブリッジ部の出力電圧が２つのレベルの電圧となる２レベル動作での力行モードが行われ、
前記第１平滑コンデンサへのハイサイド側回生モードと前記第２平滑コンデンサへのローサイド側回生モードの各回生モードに応じて、回生モードから力行モードへ切替わる際のスイッチングモードが定められている構成としてもよい。

また、上記構成において、前記インバータ回路部は、
直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第１スイッチング素子及びローサイド側の第２スイッチング素子と、直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第３スイッチング素子及びローサイド側の第４スイッチング素子と、
前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続される第１双方向スイッチと、
前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に接続される第２双方向スイッチと、
前記フィルタ部の一端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続され、前記フィルタの他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に接続され、
前記ローサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第４スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第１、第２及び第３スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、
前記ローサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、前記第２双方向スイッチを双方向でオンとし、
前記ハイサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第１スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第２、第３及び第４スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオフ、出力側方向をオンとし、
前記ハイサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを双方向でオンとし、前記第２双方向スイッチを入力側方向をオフ、出力側方向をオンとする構成としてもよい。

このような構成によれば、ローサイド側回生モードから力行モードへ切替える際、第２スイッチング素子の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れることで第２平滑コンデンサ及び第１、第２リアクトルを介した電流の還流が生じ、短絡モードとはならない。また、ローサイド側回生モードの動作中は、常時第２スイッチング素子の逆並列ダイオードに電流が転流され、リカバリ電流による短絡モードの発生が抑制される。

また、ハイサイド側回生モードから力行モードへ切替える際、第３スイッチング素子の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れることで第１平滑コンデンサ及び第１、第２リアクトルを介した電流の還流が生じ、短絡モードとはならない。また、ハイサイド側回生モードの動作中は、常時第３スイッチング素子の逆並列ダイオードに電流が転流され、リカバリ電流による短絡モードの発生が抑制される。

また、上記構成において、前記インバータ回路部は、
直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第１スイッチング素子及びローサイド側の第２スイッチング素子と、直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第３スイッチング素子及びローサイド側の第４スイッチング素子と、
前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続される第１双方向スイッチと、
前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に接続される第２双方向スイッチと、
前記フィルタ部の一端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続され、前記フィルタ部の他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に接続され、
前記ローサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第２スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第１、第３及び第４スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、
前記ローサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを双方向でオンとし、前記第２双方向スイッチを入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、
前記ハイサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第３スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第１、第２及び第４スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオフ、出力側方向をオンとし、
前記ハイサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを入力側方向をオフ、出力側方向をオンとする、前記第２双方向スイッチを双方向でオンとする構成としてもよい。

このような構成によれば、ローサイド側回生モードから力行モードへ切替える際、第４スイッチング素子の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れることで第２平滑コンデンサ及び第１、第２リアクトルを介した電流の還流が生じ、短絡モードとはならない。また、ローサイド側回生モードの動作中は、常時第４スイッチング素子の逆並列ダイオードに電流が転流され、リカバリ電流による短絡モードの発生が抑制される。

また、ハイサイド側回生モードから力行モードへ切替える際、第１スイッチング素子の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れることで第１平滑コンデンサ及び第１、第２リアクトルを介した電流の還流が生じ、短絡モードとはならない。また、ハイサイド側回生モードの動作中は、常時第１スイッチング素子の逆並列ダイオードに電流が転流され、リカバリ電流による短絡モードの発生が抑制される。

また、本発明の電力変換装置は、上記いずれかの構成のインバータ装置と、当該インバータ装置の前段側に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えたことを特徴としている。

また、本発明の分散電源システムは、上記構成の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される太陽電池、燃料電池または蓄電池を備えることを特徴としている。

本発明によると、ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流による短絡モードの発生を抑制し、スイッチング素子の損失低下と信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る分散電源システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ回路部の各部信号波形の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る自立運転時の正位相動作におけるスイッチングモードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る自立運転時の負位相動作におけるスイッチングモードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る正位相動作におけるローサイド側回生モードと等価なスイッチングモードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る正位相動作におけるローサイド側回生モードから力行モードへ切替える際のスイッチングモードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る正位相動作におけるハイサイド側回生モードから力行モードへ切替える際のスイッチングモードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る負位相動作におけるローサイド側回生モードから力行モードへ切替える際のスイッチングモードを示す図である。 本発明の一実施形態に係る負位相動作におけるハイサイド側回生モードから力行モードへ切替える際のスイッチングモードを示す図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る分散電源システムの構成を図１に示す。本システムは、直流電源を入力として、商用系統と連系して交流電力を出力可能であると共に、商用系統から切り離して所定のコネクタから交流電力を出力して負荷へ電力供給させる自立運転も可能とする。

図１に示す分散電源システムは、直流電源Ｖｄｃと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、インバータ装置２０と、リレー３１、３２及び３３と、自立運転出力用コネクタ５０を備えている。

インバータ装置２０は、３つの電圧レベルを出力する所謂３レベルインバータであり、インバータ回路部２０１と、ドライバ２０２と、制御部２０３を有している。インバータ回路部２０１の入力側には、直流電源Ｖｄｃが入力側に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力側が接続される。直流電源Ｖｄｃは、例えば太陽電池、燃料電池、蓄電池などを採用できる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、インバータ装置２０とからパワーコンディショナ（電力変換装置）が構成される。

インバータ回路部２０１は、平滑コンデンサＣ１及びＣ２と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５及びＱ６と、ブリッジ部２０１Ａと、ＬＣフィルタ部２０１Ｂを有している。ブリッジ部２０１Ａは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８から構成され、これらのスイッチング素子はＭＯＳ−ＦＥＴで構成される。また、リアクトルＬ１及びＬ２と、出力コンデンサＣ３からＬＣフィルタ部２０１Ｂが構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のプラス出力端子Ｔ１１には、ハイサイド側の平滑コンデンサＣ１の一端が接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のマイナス出力端子Ｔ１２には、ローサイド側の平滑コンデンサＣ２の一端が接続され、平滑コンデンサＣ１とＣ２は直列に接続される。

また、プラス出力端子Ｔ１１には、スイッチング素子Ｑ１のドレインが接続され、マイナス出力端子Ｔ１２には、スイッチング素子Ｑ７のソースが接続され、スイッチング素子Ｑ１のソースとスイッチング素子Ｑ７のドレインが接続される。なお、各スイッチング素子Ｑ１及びＱ７のドレイン・ソース間には逆並列ダイオードが接続される。逆並列ダイオードは、寄生ダイオード（内蔵ダイオード）であってもよいし、外付けのダイオードであってもよい（以下、同様）。

平滑コンデンサＣ１とＣ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ１とＱ７の接続点の間には、スイッチング素子Ｑ３とＱ４が逆直列に接続される。スイッチング素子Ｑ３及びＱ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成される。各スイッチング素子Ｑ３及びＱ４のコレクタ・エミッタ間には逆並列ダイオードが接続されており、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４と逆並列ダイオードから双方向スイッチが構成される。なお、双方向スイッチとしては、２つのスイッチング素子が逆並列に接続されて１つの素子として構成されるものを用いてもよい（以下、同様）。

また、プラス出力端子Ｔ１１には、スイッチング素子Ｑ２のドレインが接続され、マイナス出力端子Ｔ１２には、スイッチング素子Ｑ８のソースが接続され、スイッチング素子Ｑ２のソースとスイッチング素子Ｑ８のドレインが接続される。なお、各スイッチング素子Ｑ２及びＱ８のドレイン・ソース間には逆並列ダイオードが接続される。

平滑コンデンサＣ１とＣ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ２とＱ８の接続点の間には、スイッチング素子Ｑ５とＱ６が逆直列に接続される。スイッチング素子Ｑ５及びＱ６は、ＩＧＢＴで構成される。各スイッチング素子Ｑ５及びＱ６のコレクタ・エミッタ間には逆並列ダイオードが接続されており、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６と逆並列ダイオードから双方向スイッチが構成される。

そして、スイッチング素子Ｑ２とＱ８の接続点がリアクトルＬ１の一端に接続され、スイッチング素子Ｑ１とＱ７の接続点がリアクトルＬ２の一端に接続される。リアクトルＬ１の他端とリアクトルＬ２の他端は、出力コンデンサＣ３の各端部に接続される。

出力コンデンサＣ３は、保護用のリレー３１と、連系用のリレー３２を介して商用系統４０に接続可能である。また、出力コンデンサＣ３は、自立用のリレー３３を介して自立運転出力用コネクタ５０にも接続可能である。自立運転出力用コネクタ５０には負荷（不図示）が接続可能である。

制御部２０３は、例えば複数のマイコンから構成され、ゲート駆動手段であるドライバ２０２を介してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８をオンオフ制御する。また、制御部２０３は、リレー３１、３２及び３３の開閉を制御すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の駆動制御も行う。

ここで、平滑コンデンサＣ１とＣ２の直列接続された組の両端電圧をＶｉｎとし、ハイサイド側の平滑コンデンサＣ１の両端電圧Ｖ１とローサイド側の平滑コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ２が、中間点電位（コンデンサＣ１とＣ２の接続点の電位）が中間値で安定することにより、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖｉｎ／２の関係であるとする。

この場合、スイッチング素子Ｑ２及びＱ７をオンとすることにより、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧（スイッチング素子Ｑ７ドレインとＱ２ソース間の電圧）はスイッチング素子Ｑ７ドレインを電位基準としてＶｉｎとなる。また、スイッチング素子Ｑ６及びＱ７をオンとすることにより、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はＶｉｎ／２となる。また、スイッチング素子Ｑ６及びＱ３をオンとすることにより、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

さらに、スイッチング素子Ｑ１及びＱ８をオンとすることにより、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧は−Ｖｉｎとなる。また、スイッチング素子Ｑ４及びＱ８をオンとすることにより、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧は−Ｖｉｎ／２となる。

このようなスイッチング素子のスイッチングパターンを切り替えることにより、例えば図２に示すように、３つのレベルを有したブリッジ部２０１Ａの出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。そして、出力電圧ＶｏｕｔをＬＣフィルタ部２０１Ｂによりフィルタリングすることにより、商用系統４０との連系運転時に正弦波状の出力電流Ｉｏｕｔを商用系統４０へ出力することができる。なお、系統連系運転時にはリレー３１及び３２は閉状態、リレー３３は開状態に制御される。

次に、本実施形態に係るインバータ装置２０の自立運転制御について図３〜図９を用いて説明する。なお、自立運転時にはリレー３１及び３２は開状態、リレー３３は閉状態に制御され、自立運転出力用コネクタ５０から負荷へ交流電力が供給される。

インバータ装置２０は、自立運転時には２つのレベルの電圧を出力する２レベル動作を行う。自立運転時のスイッチング制御のうち、Ｕ相（出力コンデンサＣ３の負極側）の電位がＷ相（出力コンデンサＣ３の正極側）を基準として正となる正位相動作について図３に示す。

図３に示す正位相動作は、インバータから負荷へ電力供給される力行モードと、負荷からハイサイド側の平滑コンデンサＣ１へ電力が戻されるハイサイド側回生モードと、負荷からローサイド側の平滑コンデンサＣ２へ電力が戻されるローサイド側回生モードに分けられる。

正位相動作の力行モードには、第１モード〜第５モードの５つのスイッチングモードが含まれ、全てのモードでＵ相方向電流が流れる。動作させるモードの順番としては、第１モードから第２、第３、第４、第５モードの順に動作させた後、第４、第３、第２、第１モードの順に動作させる。また、この力行モードにおいては、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ１及びＱ８、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３及びＱ６にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によるオン動作をさせ、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ５及びＱ４は固定でオン動作させる。

第１モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ１、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ６の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ５、平滑コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧は−Ｖｉｎ／２となる。

第２モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ６の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ５、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ４、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第３モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、第２モードと同様の経路で電流が還流し、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第４モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、第２モードと同様の経路で電流が還流し、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第５モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ８、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ８、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ４、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧は−Ｖｉｎ／２となる。

また、これら第１〜第５の力行モードの各モード動作中に、仮に電流がＷ相方向へ流れてしまったとしても、３レベルの回生モードにならないようになっている。即ち、スイッチング素子Ｑ１とＱ８の逆並列ダイオードへ同時に転流することがないため、不要なリカバリ動作による短絡電流を防止している。

第３、第４、第５モードのいずれかの動作時に制御部２０３がＷ相方向の電流を検出すると、ローサイド側回生モードへ切替えられる。なお、電流の検出は、例えば出力コンデンサＣ３の負極側の一端とリアクトルＬ２の一端の間に設けられた電流検知部（不図示）を用いればよい。

ローサイド側回生モードにおいては、第６モードと第７モードを繰り返し動作させ、スイッチング素子Ｑ７はＰＷＭでオン動作させ、スイッチング素子Ｑ３及びＱ５は固定でオン動作させる。

第６モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ７、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ５をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ７、スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオード、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第７モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ５をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ４の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ３、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオード、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧は−Ｖｉｎ／２となる。

このように第６モードと第７モードではいずれもスイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオードに電流が転流する。ここで、例えば図３に示すローサイド側回生モードと等価なスイッチングとして図５に示すようにスイッチング素子Ｑ６をオンオフ制御した場合を考える。この場合、スイッチング素子Ｑ６をオンとしたモードのたびに（図５の上段）、スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流により、スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオード、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、及びスイッチング素子Ｑ６の順の経路で短絡モードが発生してしまう（図５上段の点線矢印）。これに対して、図３に示すローサイド側回生モードであれば、常時スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオードに電流が転流するのでリカバリ電流による短絡モードの発生を抑制できる。

ローサイド側回生モードの動作時に制御部２０３がＵ相方向の電流を検出すると、第４モードへ切替えられる。このときの電流経路の様子を図６に示す。図６の点線矢印に示すように、ローサイド側回生モードから第４モードへ切替える際に、スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れたとしても、スイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオード、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ４、リアクトルＬ２、負荷、リアクトルＬ１の順の経路で電流が還流する。この場合、リアクトルＬ１及びＬ２を介した還流であるので、短絡モードとはならない。

また、第１、第２、第３モードのいずれかの動作時に制御部２０３がＷ相方向の電流を検出すると、ハイサイド側回生モードへ切替えられる。

ハイサイド側回生モードにおいては、第８モードと第９モードを繰り返し動作させ、スイッチング素子Ｑ２はＰＷＭでオン動作させ、スイッチング素子Ｑ４及びＱ６は固定でオン動作させる。

第８モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ２、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ１の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ２、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第９モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ１の逆並列ダイオード、平滑コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ６、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧は−Ｖｉｎ／２となる。

図３に示すハイサイド側回生モードであれば、常時スイッチング素子Ｑ１の逆並列ダイオードに電流が転流するのでリカバリ電流による短絡モードの発生を抑制できる。

ハイサイド側回生モードの動作時に制御部２０３がＵ相方向の電流を検出すると、第２モードへ切替えられる。このときの電流経路の様子を図７に示す。図７の点線矢印に示すように、ハイサイド側回生モードから第２モードへ切替える際に、スイッチング素子Ｑ１の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れたとしても、スイッチング素子Ｑ１の逆並列ダイオード、リアクトルＬ２、負荷、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ６の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ５、平滑コンデンサＣ１の順の経路で電流が還流する。この場合、リアクトルＬ１及びＬ２を介した還流であるので、短絡モードとはならない。

同様に、これら回生モード（第６〜第９モード）の各モード動作中に、仮に電流がＵ相方向へ流れてしまったとしても、３レベルの回生モードにならないようになっている。即ち、スイッチング素子Ｑ２とＱ７の逆並列ダイオードへ同時に転流することがないため、不要なリカバリ動作による短絡電流を防止している。

次に、自立運転時のスイッチング制御のうち、Ｕ相の電位がＷ相を基準として負となる負位相動作について図４に示す。

図４に示す負位相動作も、力行モードと、ハイサイド側回生モードと、ローサイド側回生モードに分けられる。

負位相動作の力行モードには、第１モード〜第５モードの５つのスイッチングモードが含まれ、全てのモードでＷ相方向電流が流れる。動作させるモードの順番としては、第１モードから第２、第３、第４、第５モードの順に動作させた後、第４、第３、第２、第１モードの順に動作させる。また、この力行モードにおいては、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ２及びＱ７、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４及びＱ５にＰＷＭによるオン動作をさせ、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３及びＱ６は固定でオン動作させる。

第１モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ２、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ４の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ３、平滑コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ２、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はＶｉｎ／２となる。

第２モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ４の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ３、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ６、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第３モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、第２モードと同様の経路で電流が還流し、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第４モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、第２モードと同様の経路で電流が還流し、ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第５モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ７、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｕ相、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ７、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ６、リアクトルＬ１、及びＷ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はＶｉｎ／２となる。

また、これら第１〜第５モードから成る力行モードの各モード動作中に、仮に電流がＵ相方向へ流れてしまったとしても、３レベルの回生モードにならないようになっている。即ち、スイッチング素子Ｑ２とＱ７の逆並列ダイオードへ同時に転流することがないため、不要なリカバリ動作による短絡電流を防止している。

第３、第４、第５モードのいずれかの動作時に制御部２０３がＵ相方向の電流を検出すると、ローサイド側回生モードへ切替えられる。

ローサイド側回生モードにおいては、第６モードと第７モードを繰り返し動作させ、スイッチング素子Ｑ８はＰＷＭでオン動作させ、スイッチング素子Ｑ３及びＱ５は固定でオン動作させる。

第６モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ８、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ５をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ８、スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオード、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第７モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ５をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ６の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ５、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオード、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はＶｉｎ／２となる。

このように図４に示すローサイド側回生モードであれば、常時スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオードに電流が転流するのでリカバリ電流による短絡モードの発生を抑制できる。

ローサイド側回生モードの動作時に制御部２０３がＷ相方向の電流への反転を検出すると、第４モードへ切替えられる。このときの電流経路の様子を図８に示す。図８の点線矢印に示すように、ローサイド側回生モードから第４モードへ切替える際に、スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れたとしても、スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオード、平滑コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ６、リアクトルＬ１、負荷、リアクトルＬ２の順の経路で電流が還流する。この場合、リアクトルＬ１及びＬ２を介した還流であるので、短絡モードとはならない。

また、第１、第２、第３モードのいずれかの動作時に制御部２０３がＵ相方向の電流を検出すると、ハイサイド側回生モードへ切替えられる。

ハイサイド側回生モードにおいては、第８モードと第９モードを繰り返し動作させ、スイッチング素子Ｑ１はＰＷＭでオン動作させ、スイッチング素子Ｑ４及びＱ６は固定でオン動作させる。

第８モードでは、ブリッジ部２０１Ａを構成するスイッチング素子Ｑ１、及び双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はゼロとなる。

第９モードでは、双方向スイッチを構成するスイッチング素子Ｑ４、Ｑ６をオンとし、それ以外のスイッチング素子はオフとする。これにより、Ｗ相、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオード、平滑コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ４、リアクトルＬ２、及びＵ相の順の経路で電流が還流する。ブリッジ部２０１Ａの出力電圧はＶｉｎ／２となる。

図４に示すハイサイド側回生モードであれば、常時スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオードに電流が転流するのでリカバリ電流による短絡モードの発生を抑制できる。

ハイサイド側回生モードの動作時に制御部２０３がＷ相方向の電流を検出すると、第２モードへ切替えられる。このときの電流経路の様子を図９に示す。図９の点線矢印に示すように、ハイサイド側回生モードから第２モードへ切替える際に、スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れたとしても、スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオード、リアクトルＬ１、負荷、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ４の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ３、平滑コンデンサＣ１の順の経路で電流が還流する。この場合、リアクトルＬ１及びＬ２を介した還流であるので、短絡モードとはならない。

同様に、これら回生モード（第６〜第９モード）の各モード動作中に、仮に電流がＷ相方向へ流れてしまったとしても、３レベルの回生モードにならないようになっている。即ち、スイッチング素子Ｑ１とＱ８の逆並列ダイオードへ同時に転流することがないため、不要なリカバリ動作による短絡電流を防止している。

以上のように本実施形態によれば、回生モードから力行モードに切替える際に、ブリッジ部２０１Ａを構成するＭＯＳ−ＦＥＴの各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８の逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れたとしても、必ずリアクトルＬ１及びＬ２を介した電流の還流になるので短絡モードとはならない。従って、インバータ回路部２０１への負担を抑制し、信頼性を向上させることができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

また、本発明は、ブリッジ部におけるスイッチング素子の逆並列ダイオードのリカバリ動作が平滑コンデンサからの短絡モードとならないようにしているため、これらのスイッチング素子の電力損失の低下に寄与する効果を有する。そのため、本実施例ではブリッジ部に逆並列ダイオードの逆回復時間が長いＦＥＴを用いた場合を説明したが、スイッチング素子としてＩＧＢＴや、逆並列ダイオードとして寄生ダイオードではなく、外付けのダイオードを用いた構成等にて使用してもよい。

１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０ インバータ装置
２０１ インバータ回路部
２０１Ａ ブリッジ部
２０１Ｂ ＬＣフィルタ部
２０２ ドライバ
２０３ 制御部
３１、３２、３３ リレー
４０ 商用系統
５０ 自立運転出力用コネクタ
Ｃ１、Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子
Ｌ１、Ｌ２ リアクトル
Ｃ３ 出力コンデンサ
Ｖｄｃ 直流電源
Ｔ１１ プラス出力端子
Ｔ１２ マイナス出力端子

Claims (9)

1. 入力側に設けられた平滑コンデンサと、ブリッジ部を構成する逆並列ダイオードが接続されたスイッチング素子を含む複数のスイッチング素子と、リアクトルとコンデンサを含むフィルタ部と、を有したインバータ回路部と、
   商用系統から切り離して負荷へ交流電力を出力する自立運転において前記負荷から前記平滑コンデンサへ電力が戻される回生モードから当該インバータ装置から前記負荷へ電力供給される力行モードへ切替える際に、前記ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れるリカバリ電流によって前記平滑コンデンサ及び前記リアクトルを介した電流の還流を生じさせるようなスイッチングモードで前記複数のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
   を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 回生モードにおいて、前記スイッチング制御部は、前記ブリッジ部を構成するスイッチング素子の逆並列ダイオードに常時電流を転流させるようなスイッチングモードで前記複数のスイッチング素子を制御す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. 前記インバータ回路部は、直列接続されるハイサイド側の第１平滑コンデンサ及びローサイド側の第２平滑コンデンサを備え、
   前記スイッチング制御部による複数のスイッチングモードによって前記ブリッジ部の出力電圧が２つのレベルの電圧となる２レベル動作での力行モードが行われ、
   前記第１平滑コンデンサへのハイサイド側回生モードと前記第２平滑コンデンサへのローサイド側回生モードの各回生モードに応じて、回生モードから力行モードへ切替わる際のスイッチングモードが定められてい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。
4. 前記インバータ回路部は、
   直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第１スイッチング素子及びローサイド側の第２スイッチング素子と、直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第３スイッチング素子及びローサイド側の第４スイッチング素子と、
   前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続される第１双方向スイッチと、
   前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に接続される第２双方向スイッチと、
   前記フィルタ部の一端は前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続され、前記フィルタ部の他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に一端が接続され、
   前記ローサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第４スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第１、第２及び第３スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、
   前記ローサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、前記第２双方向スイッチを双方向でオンとし、
   前記ハイサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第１スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第２、第３及び第４スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオフ、出力側方向をオンとし、
   前記ハイサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを双方向でオンとし、前記第２双方向スイッチを入力側方向をオフ、出力側方向をオンとする、
   ことを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記インバータ回路部は、
   直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第１スイッチング素子及びローサイド側の第２スイッチング素子と、直列接続されて前記ブリッジ部の一部を構成するハイサイド側の第３スイッチング素子及びローサイド側の第４スイッチング素子と、
   前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に接続される第１双方向スイッチと、
   前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサの接続点に一端が接続され、他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に接続される第２双方向スイッチと、
   前記フィルタ部の一端は前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点が接続され、前記フィルタ部の他端が前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接続点に一端が接続され、
   前記ローサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第２スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第１、第３及び第４スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、
   前記ローサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを双方向でオンとし、前記第２双方向スイッチを入力側方向をオン、出力側方向をオフとし、
   前記ハイサイド側回生モードの場合、前記スイッチング制御部は、前記第３スイッチング素子をオンオフ制御し、前記第１、第２及び第４スイッチング素子を常時オフとし、前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチを常時入力側方向をオフ、出力側方向をオンとし、
   前記ハイサイド側回生モードから前記力行モードへ切替える際、前記スイッチング制御部は、前記第１〜第４スイッチング素子をオフとし、前記第１双方向スイッチを入力側方向をオフ、出力側方向をオンとする、前記第２双方向スイッチを双方向でオンとする、
   ことを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のインバータ装置と、当該インバータ装置の前段側に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される太陽電池と、を備えることを特徴とする分散電源システム。
8. 請求項６に記載の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される燃料電池と、を備えることを特徴とする分散電源システム。
9. 請求項６に記載の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される蓄電池と、を備えることを特徴とする分散電源システム。

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