JP6158125B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a power conversion apparatus.
出力電圧を多段に変化させることにより、出力電圧の高調波成分を抑制したマルチレベルの電力変換装置がある。マルチレベルの電力変換装置では、出力波形を正弦波に近づけるためのフィルタを小さくすることができ、高出力密度化を実現することができる。こうした電力変換装置において、高効率化が望まれる。 There is a multi-level power converter that suppresses harmonic components of the output voltage by changing the output voltage in multiple stages. In the multi-level power conversion device, the filter for making the output waveform approximate to a sine wave can be reduced, and high output density can be realized. In such a power converter, high efficiency is desired.
本発明の実施形態は、高出力密度で高効率な電力変換装置を提供する。 Embodiments of the present invention provide a power converter with high power density and high efficiency.
本発明の実施形態によれば、主回路部と、電力検出部と、制御回路と、を備えた電力変換装置が提供される。前記主回路部は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力された前記交流電力の高調波成分を抑制するフィルタと、を含む。前記インバータは、前記直流電源の陽極に接続される高電位入力端子と、前記直流電源の陰極に接続される低電位入力端子と、前記高電位入力端子と前記低電位入力端子との間に接続される複数のレグと、を含む。前記複数のレグのそれぞれは、前記高電位入力端子と前記低電位入力端子との間に接続された第1上側スイッチング素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記高電位入力端子との間に接続された第2上側スイッチング素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記低電位入力端子との間に接続された第1下側スイッチング素子と、前記第1下側スイッチング素子と前記低電位入力端子との間に接続された第2下側スイッチング素子と、前記第1上側スイッチング素子と前記第2上側スイッチング素子との間に接続された一端と、前記第1下側スイッチング素子と前記第2下側スイッチング素子との間に接続された他端と、を有する電荷蓄積素子と、を含む。前記電力検出部は、前記主回路部の出力電力を検出する。前記制御回路は、前記複数のレグ毎に設定される複数の変調波と、前記複数のレグの前記第1上側スイッチング素子及び前記第2上側スイッチング素子のそれぞれに設定される複数のキャリア信号と、を基に、前記第1上側スイッチング素子、前記第2上側スイッチング素子、前記第1下側スイッチング素子及び前記第2下側スイッチング素子のオン・オフを制御する。前記制御回路は、前記電力検出部で検出された前記主回路部の前記出力電力を基に、前記複数のキャリア信号の周波数を決定する周波数決定部を含む。前記周波数決定部は、前記出力電力が最大値の時に、前記複数のキャリア信号の周波数を最大の周波数に決定し、前記出力電力が最大値よりも低い時に、前記複数のキャリア信号の周波数を前記最大の周波数よりも低い周波数に決定する。 According to the embodiment of the present invention, a power conversion device including a main circuit unit, a power detection unit, and a control circuit is provided. The main circuit unit includes an inverter that converts DC power supplied from a DC power source into AC power, and a filter that suppresses harmonic components of the AC power output from the inverter. The inverter is connected between a high potential input terminal connected to the anode of the DC power supply, a low potential input terminal connected to the cathode of the DC power supply, and the high potential input terminal and the low potential input terminal. A plurality of legs. Each of the plurality of legs is connected between a first upper switching element connected between the high potential input terminal and the low potential input terminal, and between the first upper switching element and the high potential input terminal. The second upper switching element, the first lower switching element connected between the first upper switching element and the low potential input terminal, the first lower switching element and the low potential input terminal, A second lower switching element connected between, one end connected between the first upper switching element and the second upper switching element, the first lower switching element and the second lower side A charge storage element having a second end connected to the switching element. The power detection unit detects output power of the main circuit unit. The control circuit includes a plurality of modulated waves set for each of the plurality of legs, a plurality of carrier signals set for each of the first upper switching element and the second upper switching element of the plurality of legs, The first upper switching element, the second upper switching element, the first lower switching element, and the second lower switching element are controlled to be turned on / off. The control circuit includes a frequency determination unit that determines frequencies of the plurality of carrier signals based on the output power of the main circuit unit detected by the power detection unit. The frequency determination unit determines the frequency of the plurality of carrier signals as the maximum frequency when the output power is a maximum value, and determines the frequencies of the plurality of carrier signals as the frequency when the output power is lower than the maximum value. A frequency lower than the maximum frequency is determined.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図1に表したように、電力変換装置10は、直流電源2及び負荷4に接続されている。電力変換装置10は、例えば、コネクタなどを介して直流電源2及び負荷4に着脱自在に接続される。なお、本願明細書において、「接続」には、直接接触して接続される場合の他に、他の導電性部材などを介して電気的に接続される場合も含むものとする。また、トランスなどを介して磁気的に結合している場合も、「接続」に含むものとする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating the power conversion apparatus according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the
直流電源2は、直流電力を電力変換装置10に供給する。直流電源2は、例えば、太陽電池パネルである。直流電源2が太陽電池パネルである場合、電力変換装置10は、昇圧チョッパなどの直流電圧調整回路を介して太陽電池パネルに接続してもよい。この場合、直流電圧調整回路を直流電源2としてもよい。直流電源2は、例えば、ガスタービンエンジンなどでもよい。直流電源2は、直流電力を供給可能な任意の電源でよい。
The DC
負荷4は、交流負荷である。負荷4は、例えば、交流電力の供給によって動作する電子機器などである。負荷4は、例えば、電力を需要家の受電設備に供給する送電線などの電力系統でもよい。
The
電力変換装置10は、直流電源2から供給される直流電力を負荷4に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を負荷4に出力する。電力変換装置10は、有効電力を負荷4に出力する。電力変換装置10は、いわゆるパワーコンディショナである。電力変換装置10の出力する交流電力の電圧は、例えば、100V(実効値)または200V(実効値)である。電力変換装置10の出力する交流電力の周波数は、例えば、50Hzまたは60Hzである。
The
電力変換装置10は、主回路部12と、制御回路14と、を備える。主回路部12は、インバータ20と、フィルタ22と、電力検出部24と、を含む。インバータ20は、直流電源2に接続されている。インバータ20は、直流電源2から供給される直流電力を交流電力に変換する。
The
フィルタ22は、インバータ20から出力された交流電力の高調波成分を抑制する。フィルタ22は、例えば、インバータ20から出力された交流電力を正弦波に近づける。フィルタ22は、いわゆる正弦波フィルタである。フィルタ22は、例えば、正弦波フィルタだけでなく、ノイズを除去するためのノイズフィルタ(EMIフィルタ)などを含んでもよい。
The
このように、主回路部12は、直流電源2から供給される直流電力を負荷4に対応した交流電力に変換する。主回路部12は、例えば、ノイズカットフィルタやトランスなどを、さらに含んでもよい。ノイズカットフィルタは、例えば、直流電源2とインバータ20との間に設けられ、直流電源2から供給される直流電力に含まれるノイズを抑制する。トランスは、例えば、フィルタ22と負荷4との間に設けられ、フィルタ22から出力された交流電力を変圧する。
As described above, the
制御回路14は、例えば、CPUやMPUなどのプロセッサである。制御回路14は、例えば、図示を省略したメモリから所定のプログラムを読み出し、そのプログラムを逐次処理することによって、電力変換装置10の各部を統括的に制御する。制御回路14は、具体的には、インバータ20による直流電力から交流電力への変換を制御する。プログラムを記憶したメモリは、制御回路14内に設けてもよいし、制御回路14と別に設け、制御回路14に接続してもよい。
The
電力検出部24は、主回路部12の出力電力を検出する。電力検出部24は、電圧検出部25と、電流検出部26と、を含む。電圧検出部25は、主回路部12の出力電圧を検出する。電流検出部26は、主回路部12の出力電流を検出する。例えば、インバータ20が三相インバータである場合には、電圧検出部25が三相交流電力の各相の出力電圧を検出し、電流検出部26が三相交流電力の各相の出力電流を検出する。電圧検出部25及び電流検出部26は、制御回路14に接続されている。電圧検出部25は、検出した出力電圧を制御回路14に入力する。電流検出部26は、検出した出力電流を制御回路14に入力する。すなわち、電力検出部24は、制御回路14に接続され、検出した出力電力を制御回路14に入力する。
The
この例では、電力検出部24が、電圧検出部25と電流検出部26とを含む。これに限ることなく、電力検出部24は、電圧検出部25と電流検出部26との少なくとも一方を含んでいればよい。電力検出部24は、主回路部12の出力電圧及び主回路部12の出力電流の少なくとも一方を主回路部12の出力電力の情報として検出すればよい。また、この例では、電力検出部24が、フィルタ22と負荷4との間に接続されている。これに限ることなく、電力検出部24は、例えば、インバータ20とフィルタ22との間に接続してもよい。
In this example, the
インバータ20は、高電位入力端子20aと、低電位入力端子20bと、複数のレグLG1、LG2と、を含む。高電位入力端子20aは、直流電源2の陽極に接続される。低電位入力端子20bは、直流電源2の陰極に接続される。このように、インバータ20は、各入力端子20a、20bを介して直流電源2に接続される。直流電源2から供給される直流電力は、各入力端子20a、20b間に入力される。
この例において、インバータ20は、第1レグLG1と第2レグLG2との2つのレグを含む。第1レグLG1は、第1上側アームUA1と第1下側アームLA1との2つのアームを含む。第1上側アームUA1は、高電位入力端子20aに接続される。第1下側アームLA1は、第1上側アームUA1と低電位入力端子20bとの間に接続される。第2レグLG2は、第2上側アームUA2と第2下側アームLA2との2つのアームを含む。第2上側アームUA2は、高電位入力端子20aに接続される。第2下側アームLA2は、第2上側アームUA2と低電位入力端子20bとの間に接続される。
In this example, the
このように、各レグLG1、LG2は、各入力端子20a、20bの間に並列に接続される。なお、各レグLG1、LG2において、「上側」及び「下側」は、上下方向の配置を意味するものではない。各レグLG1、LG2において、「上側」とは、入力された直流電力の電位の高い側を意味し、「下側」とは、入力された直流電力の電位の低い側を意味する。各上側アームUA1、UA2は、換言すれば、高電位側のアームである。各下側アームLA1、LA2は、換言すれば、低電位側のアームである。
Thus, each leg LG1, LG2 is connected in parallel between each
この例において、インバータ20は、2レグ4アームの、いわゆる単相インバータである。インバータ20は、直流電力を単相交流電力に変換する。インバータ20は、三相インバータでもよい。インバータ20は、直流電力を三相交流電力に変換してもよい。すなわち、インバータ20は、第1レグLG1及び第2レグLG2に対して並列に接続される第3レグをさらに含んでもよい。
In this example, the
このように、主回路部12(電力変換装置10)の出力電力は、単相交流電力でもよいし、三相交流電力でもよい。主回路部12の出力電力は、負荷4に応じて設定すればよい。インバータ20が三相インバータである場合には、三相交流電力の相毎にフィルタ22が設けられる。すなわち、インバータ20が三相インバータである場合には、3つのフィルタ22が設けられる。
As described above, the output power of the main circuit unit 12 (power converter 10) may be single-phase AC power or three-phase AC power. The output power of the
第1レグLG1の第1上側アームUA1は、各入力端子20a、20bの間に接続された第1上側スイッチング素子U1と、第1上側スイッチング素子U1と高電位入力端子20aとの間に接続された第2上側スイッチング素子U2と、を含む。
The first upper arm UA1 of the first leg LG1 is connected between the first upper switching element U1 connected between the
第1レグLG1の第1下側アームLA1は、第1上側スイッチング素子U1と低電位入力端子20bとの間に接続された第1下側スイッチング素子X1と、第1下側スイッチング素子X1と低電位入力端子20bとの間に接続された第2下側スイッチング素子X2と、を含む。
The first lower arm LA1 of the first leg LG1 includes a first lower switching element X1 connected between the first upper switching element U1 and the low-
また、第1レグLG1は、第1電荷蓄積素子CU1を含む。第1電荷蓄積素子CU1の一端は、第1上側スイッチング素子U1と第2上側スイッチング素子U2との間に接続される。第1電荷蓄積素子CU1の他端は、第1下側スイッチング素子X1と第2下側スイッチング素子X2との間に接続される。 The first leg LG1 includes a first charge storage element CU1. One end of the first charge storage element CU1 is connected between the first upper switching element U1 and the second upper switching element U2. The other end of the first charge storage element CU1 is connected between the first lower switching element X1 and the second lower switching element X2.
第2レグLG2は、第1レグLG1と同様に、第1上側スイッチング素子V1と、第2上側スイッチング素子V2と、第1下側スイッチング素子Y1と、第2下側スイッチング素子Y2と、第1電荷蓄積素子CV1と、を含む。第2レグLG2の構成は、第1レグLG1の構成と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。 Similarly to the first leg LG1, the second leg LG2 includes the first upper switching element V1, the second upper switching element V2, the first lower switching element Y1, the second lower switching element Y2, and the first leg switching element Y2. Charge storage element CV1. Since the configuration of the second leg LG2 is substantially the same as the configuration of the first leg LG1, detailed description thereof is omitted.
各第1電荷蓄積素子CU1、CV1には、例えば、コンデンサが用いられる。各第1電荷蓄積素子CU1、CV1は、例えば、フライングキャパシタと呼ばれる。すなわち、インバータ20は、いわゆるフライングキャパシタ回路方式のインバータである。
For example, capacitors are used for the first charge storage elements CU1 and CV1. Each first charge storage element CU1, CV1 is called, for example, a flying capacitor. That is, the
第1レグLG1は、第3上側スイッチング素子U3と、第3下側スイッチング素子X3と、第2電荷蓄積素子CU2と、をさらに含む。第3上側スイッチング素子U3は、第2上側スイッチング素子U2と高電位入力端子20aとの間に接続される。第3下側スイッチング素子X3は、第2下側スイッチング素子X2と低電位入力端子20bとの間に接続される。第2電荷蓄積素子CU2の一端は、第2上側スイッチング素子U2と第3上側スイッチング素子U3との間に接続される。第2電荷蓄積素子CU2の他端は、第2下側スイッチング素子X2と第3下側スイッチング素子X3との間に接続される。
The first leg LG1 further includes a third upper switching element U3, a third lower switching element X3, and a second charge storage element CU2. The third upper switching element U3 is connected between the second upper switching element U2 and the high
第2レグLG2は、同様に、第3上側スイッチング素子V3と、第3下側スイッチング素子Y3と、第2電荷蓄積素子CV2と、をさらに含む。 Similarly, the second leg LG2 further includes a third upper switching element V3, a third lower switching element Y3, and a second charge storage element CV2.
このように、インバータ20では、各アームUA1、UA2、LA1、LA2のそれぞれに、3つのスイッチング素子が直列に接続されている。第2電荷蓄積素子CU2は、直流電源2と第1電荷蓄積素子CU1との中間の電圧を生じさせる。第1電荷蓄積素子CU1は、第2電荷蓄積素子CU2と基準電位との中間の電圧を生じさせる。同様に、第2電荷蓄積素子CV2は、直流電源2と第1電荷蓄積素子CV1との中間の電圧を生じさせる。第1電荷蓄積素子CV1は、第2電荷蓄積素子CV2と基準電位との中間の電圧を生じさせる。このため、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2は、中間コンデンサと呼ばれる場合もある。
Thus, in the
これにより、インバータ20では、上側のアームで3レベル、下側のアームで3レベル、これに基準電位のレベルを加えた計7レベルに出力電圧のレベルを変化させることができる。すなわち、インバータ20は、7レベルのマルチレベルインバータである。各アームUA1、UA2、LA1、LA2に設けられるスイッチング素子の数は、2つでもよいし、4つ以上でもよい。インバータ20から出力される電圧のレベルは、5レベルでもよいし、9レベル以上でもよい。
Thus, in the
このように、出力電圧のレベルを7レベルに変化させるインバータ20を用いた場合、2レベル出力の場合に比べて、フィルタ22の体積を約85%削減することができる。例えば、2レベル出力の場合のフィルタ22の体積が約750ccである場合、この例では、フィルタ22の体積を約112ccにすることができる。従って、電力変換装置10を高出力密度化できる。なお、「出力密度」とは、電力変換装置10の体積に対する電力変換装置10の出力電力の比率である。
Thus, when the
インバータ20は、各第1上側スイッチング素子U1、V1と、各第2上側スイッチング素子U2、V2と、各第1下側スイッチング素子X1、Y1と、各第2下側スイッチング素子X2、Y2と、各第1電荷蓄積素子CU1、CV1を少なくとも含んでいればよい。各アームUA1、UA2、LA1、LA2に3つ以上のスイッチング素子を設ける場合には、インバータ20に複数の電荷蓄積素子が設けられる。電荷蓄積素子の数は、各アームUA1、UA2、LA1、LA2のスイッチング素子の数から1を引いた値である。各電荷蓄積素子の一端は、上側アームの隣り合う2つのスイッチング素子の接続点に接続される。各電荷蓄積素子の他端は、下側アームの隣り合う2つのスイッチング素子の接続点に接続される。
The
インバータ20では、第1上側アームUA1と第1下側アームLA1との接続点、及び、第2上側アームUA2と第2下側アームLA2との接続点が、交流出力点となる。換言すれば、第1上側スイッチング素子U1と第1下側スイッチング素子X1との接続点、及び、第1上側スイッチング素子V1と第1下側スイッチング素子Y1との接続点が、交流出力点となる。フィルタ22は、インバータ20の交流出力点に接続される。
In the
各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3には、例えば、自己消弧型の素子が用いられる。より具体的には、例えば、GTO(Gate Turn-Off thyristor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などが用いられる。 For example, self-extinguishing elements are used for the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3. More specifically, for example, GTO (Gate Turn-Off thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like is used.
各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、一対の主電極と、各主電極間に流れる電流を制御する制御電極と、を含む。制御電極は、例えば、ゲート電極である。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、各主電極において直列に接続される。 Each of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 includes a pair of main electrodes and a control electrode that controls a current flowing between the main electrodes. The control electrode is, for example, a gate electrode. Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 is connected in series in each main electrode.
各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、制御電極に印加される電圧に応じて、オン状態とオフ状態とに変化する。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、例えば、第1電圧を制御電極に印加した時にオン状態になる。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、第1電圧よりも低い第2電圧を制御電極に印加した時、または、制御電極に電圧を印加していない時に、オフ状態になる。オフ状態は、各主電極間に実質的に電流が流れない状態である。オフ状態は、例えば、インバータ20での電力変換に影響を与えない範囲の微弱な電流が各主電極間に流れる状態でもよい。換言すれば、オン状態は、各主電極間に電流が流れる第1状態である。オフ状態は、各主電極間に流れる電流が、第1状態よりも低い第2状態である。この例において、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、ノーマリオフ型である。各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3は、ノーマリオン型でもよい。
Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 changes to an ON state and an OFF state according to the voltage applied to a control electrode. Each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3 will be in an ON state, for example when a 1st voltage is applied to a control electrode. Each of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, Y1 to Y3 is applied when a second voltage lower than the first voltage is applied to the control electrode or when no voltage is applied to the control electrode. Turns off. The off state is a state in which substantially no current flows between the main electrodes. The off state may be, for example, a state in which a weak current that does not affect power conversion in the
また、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3には、ダイオードが接続されている。各ダイオードは、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のそれぞれの各主電極に対して並列に接続される。また、各ダイオードの順方向は、各主電極間に流れる電流の方向に対して逆向きに設定される。すなわち、各ダイオードは、いわゆる還流ダイオードである。 In addition, diodes are connected to the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3. Each diode is connected in parallel to each main electrode of each switching element U1-U3, X1-X3, V1-V3, Y1-Y3. In addition, the forward direction of each diode is set to be opposite to the direction of current flowing between the main electrodes. That is, each diode is a so-called free-wheeling diode.
制御回路14は、インバータ20の各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3に接続されている。より具体的には、制御回路14は、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のそれぞれの制御電極に接続されている。制御回路14は、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。制御回路14は、例えば、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の制御電極に制御信号を入力し、制御信号の電圧を変化させることによって、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。制御信号は、いわゆるゲート信号である。これにより、制御回路14は、直流電力を負荷4に応じた電圧及び周波数の交流電力に変換する。
The
図2(a)〜図2(d)は、第1の実施形態に係る制御回路の動作を模式的に表すグラフ図である。
図2(a)〜図2(d)に表したように、制御回路14は、キャリア信号CS1〜CS3と変調波MWとを基に、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。
FIG. 2A to FIG. 2D are graphs schematically illustrating the operation of the control circuit according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2A to FIG. 2D, the
図2(a)では、第1レグLG1の各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3の制御に用いられるキャリア信号CS1〜CS3及び変調波MWの一例を表している。変調波MWは、各レグLG1、LG2毎に設定される。この例では、実際には、2つの変調波MWが設定される。 FIG. 2A shows an example of carrier signals CS1 to CS3 and a modulated wave MW used for controlling the switching elements U1 to U3 and X1 to X3 of the first leg LG1. The modulated wave MW is set for each leg LG1, LG2. In this example, actually, two modulated waves MW are set.
キャリア信号は、各レグLG1、LG2において、各上側スイッチング素子U1〜U3、V1〜V3毎、または、各下側スイッチング素子X1〜X3、Y1〜Y3毎に設定される。すなわち、この例では、6つのキャリア信号が設定される。なお、第1レグLG1の各スイッチング素子に設定されたキャリア信号を、第2レグLG2の各スイッチング素子に共通に用いることもできる。従って、この例においては、少なくとも3種類のキャリア信号を用意すればよい。 The carrier signal is set for each of the upper switching elements U1 to U3 and V1 to V3 or for each of the lower switching elements X1 to X3 and Y1 to Y3 in each leg LG1 and LG2. That is, in this example, six carrier signals are set. The carrier signal set in each switching element of the first leg LG1 can also be used in common for each switching element of the second leg LG2. Therefore, in this example, at least three types of carrier signals may be prepared.
キャリア信号CS1は、第1上側スイッチング素子U1の制御に用いられるキャリア信号の一例である。キャリア信号CS2は、第2上側スイッチング素子U2の制御に用いられるキャリア信号の一例である。キャリア信号CS3は、第3上側スイッチング素子U3の制御に用いられるキャリア信号の一例である。 The carrier signal CS1 is an example of a carrier signal used for controlling the first upper switching element U1. The carrier signal CS2 is an example of a carrier signal used for controlling the second upper switching element U2. The carrier signal CS3 is an example of a carrier signal used for controlling the third upper switching element U3.
図2(b)は、変調波MW及びキャリア信号CS1を基に生成される第1上側スイッチング素子U1の制御信号の一例である。図2(c)は、変調波MW及びキャリア信号CS2を基に生成される第2上側スイッチング素子U2の制御信号の一例である。図2(d)は、変調波MW及びキャリア信号CS3を基に生成される第3上側スイッチング素子U3の制御信号の一例である。 FIG. 2B is an example of a control signal for the first upper switching element U1 generated based on the modulated wave MW and the carrier signal CS1. FIG. 2C is an example of a control signal for the second upper switching element U2 generated based on the modulated wave MW and the carrier signal CS2. FIG. 2D is an example of a control signal for the third upper switching element U3 generated based on the modulated wave MW and the carrier signal CS3.
変調波MW及び各キャリア信号CS1〜CS3は、周期的に変化する。変調波MWは、例えば、正弦波である。変調波MWの周波数は、主回路部12から出力される交流電力の周波数に応じて設定される。変調波MWの周波数は、例えば、50Hzまたは60Hzである。各キャリア信号CS1〜CS3は、例えば、三角波である。各キャリア信号CS1〜CS3は、鋸波や台形波などでもよい。各キャリア信号CS1〜CS3の周波数は、変調波MWの周波数よりも高い。各キャリア信号CS1〜CS3の周波数は、例えば、0.5kHz以上25kHz以下程度である。各キャリア信号CS1〜CS3のそれぞれの周波数は、実質的に同じである。
Modulated wave MW and carrier signals CS1 to CS3 change periodically. The modulation wave MW is, for example, a sine wave. The frequency of modulated wave MW is set according to the frequency of AC power output from
また、各キャリア信号CS1〜CS3は、120度ずつ位相をずらして設定される。キャリア信号の位相は、キャリア信号の数に応じて設定される。例えば、各アームが2つのスイッチング素子を含む5レベルのインバータの場合、2つのキャリア信号が設定され、各キャリア信号の位相が180度ずつずらされる。このため、インバータ20は、キャリア位相シフト信号生成方式と呼ばれる場合もある。
The carrier signals CS1 to CS3 are set with a phase shift of 120 degrees. The phase of the carrier signal is set according to the number of carrier signals. For example, when each arm is a five-level inverter including two switching elements, two carrier signals are set, and the phase of each carrier signal is shifted by 180 degrees. For this reason, the
制御回路14は、変調波MWと各キャリア信号CS1〜CS3とを比較する。制御回路14は、例えば、変調波MWが各キャリア信号CS1〜CS3以上の時に、各上側スイッチング素子U1〜U3をオンにし、各下側スイッチング素子X1〜X3をオフにする。この場合、制御回路14は、変調波MWが各キャリア信号CS1〜CS3未満の時に、各上側スイッチング素子U1〜U3をオフにし、各下側スイッチング素子X1〜X3をオンにする。このように、制御回路14は、各上側スイッチング素子U1〜U3と、各下側スイッチング素子X1〜X3と、を交互にオン・オフする。上記と反対に、変調波MWがキャリア信号CS以上の時に、各上側スイッチング素子U1〜U3をオフにし、各下側スイッチング素子X1〜X3をオンにしてもよい。
The
制御回路14は、各レグLG1、LG2のそれぞれを上記のように制御する。これにより、制御回路14は、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。すなわち、インバータ20による直流電力から交流電力への変換を制御する。
The
なお、フライングキャパシタ回路方式のインバータ20の制御方法については、例えば、「フライングキャパシタマルチレベル変換器におけるキャパシタ選定指針に関する検討 電気学会論文誌 Vol.No.12 pp.1393-1400」の論文などに詳細に記載されている。
The control method of the flying capacitor
制御回路14は、交流値検出部40と、実効値算出部41と、周波数決定部42と、キャリア生成部43と、変調波生成部44と、比較部45と、を含む。
The
交流値検出部40には、電力検出部24で検出された主回路部12の出力電力が入力される。交流値検出部40には、例えば、電圧検出部25で検出された主回路部12の出力電圧、及び、電流検出部26で検出された主回路部12の出力電流の少なくとも一方が入力される。交流値検出部40は、検出された主回路部12の出力電力の交流値を検出する。交流値検出部40は、例えば、主回路部12の出力電力の周波数及び振幅の最大値を交流値として取得する。主回路部12の出力電力の交流値は、主回路部12の出力電圧の交流値でもよいし、主回路部12の出力電流の交流値でもよい。
The output power of the
実効値算出部41は、交流値検出部40で検出された出力電力の交流値を基に、主回路部12の出力電力の実効値を算出する。すなわち、実効値算出部41は、出力電力の直流換算値を算出する。実効値算出部41は、例えば、出力電圧の実効値と出力電流の実効値との少なくとも一方を出力電力の実効値として算出する。
The effective
周波数決定部42は、各キャリア信号CS1〜CS3の周波数(以下、キャリア周波数と称す)を決定する。周波数決定部42は、例えば、電力検出部24で検出された主回路部12の出力電力を基に、キャリア周波数を決定する。この例において、周波数決定部42は、実効値算出部41で算出された出力電力の実効値を基に、キャリア周波数を決定する。
The
周波数決定部42は、例えば、出力電力の交流値などからキャリア周波数を決定してもよい。但し、上記のように、周波数決定部42が、出力電力の実効値を基に、キャリア周波数を決定する。これにより、例えば、キャリア周波数の計算を容易にすることができる。
For example, the
周波数決定部42は、主回路部12の出力電力が最大値の時に、キャリア周波数を最大の周波数に決定し、主回路部12の出力電力が最大値よりも低い時に、キャリア周波数を最大の周波数よりも低い周波数に決定する。すなわち、周波数決定部42は、主回路部12の出力電力の低下に応じて、キャリア周波数を低下させる。
The
図3は、第1の実施形態に係る周波数決定部の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
図3の横軸は、主回路部12の出力電力の実効値Vrms(V)であり、縦軸は、キャリア周波数Fc(Hz)である。
図3に表したように、周波数決定部42は、例えば、出力電力の実効値に対して第1判定値DV1及び第2判定値DV2とを設定する。第2判定値DV2は、第1判定値DV1よりも低い。
FIG. 3 is a graph schematically illustrating an example of the operation of the frequency determination unit according to the first embodiment.
The horizontal axis in FIG. 3 is the effective value Vrms (V) of the output power of the
As illustrated in FIG. 3, the
周波数決定部42は、出力電力の実効値が第1判定値DV1以上である場合に、キャリア周波数を最大周波数に決定する。周波数決定部42は、出力電力の実効値が第2判定値DV2以下である場合に、キャリア周波数を最小周波数に決定する。そして、周波数決定部42は、出力電力の実効値が第1判定値DV1と第2判定値DV2との間の値である場合に、キャリア周波数を最大周波数と最小周波数との間の周波数に決定する。
The
周波数決定部42は、出力電力の実効値が第1判定値DV1と第2判定値DV2との間の中間領域の値である場合、出力電力の実効値に応じて、キャリア周波数を最大周波数と最小周波数との間の周波数に連続的に変化させる。
When the effective value of the output power is a value in an intermediate region between the first determination value DV1 and the second determination value DV2, the
この例では、中間領域において、キャリア周波数を出力電力の実効値に対して線形に変化させている。これに限ることなく、例えば、キャリア周波数を出力電力の実効値の二乗に比例させてもよい。すなわち、キャリア周波数を二次関数的に変化させてもよい。中間領域においては、出力電力の実効値の低下に応じて、キャリア周波数が、連続的に減少すればよい。 In this example, the carrier frequency is changed linearly with respect to the effective value of the output power in the intermediate region. For example, the carrier frequency may be proportional to the square of the effective value of the output power. That is, the carrier frequency may be changed in a quadratic function. In the intermediate region, the carrier frequency may be continuously reduced as the effective value of the output power decreases.
キャリア周波数は、例えば、以下の(1)式に基づいて決定される。
ΔV=Irms/(2π・fcar・C) ・・・ (1)
(1)式において、ΔVは、リプル電圧(peak to peak)(V)である。Irmsは、主回路部12の出力電流の実効値(A)である。fcarは、等価キャリア周波数(Hz)である。Cは、隣り合う2つの電荷蓄積素子の容量の平均値(F)である。この例では、第1電荷蓄積素子CU1の容量と第2電荷蓄積素子CU2の容量との平均値、又は、第1電荷蓄積素子CV1の容量と第2電荷蓄積素子CV2の容量との平均値である。ここで、等価キャリア周波数fcarとは、キャリア周波数にキャリア信号の数を乗算したものである。この例では、6つのキャリア信号が用いられる。従って、この例では、キャリア周波数×6が、等価キャリア周波数fcarとして用いられる。
The carrier frequency is determined based on the following equation (1), for example.
ΔV = Irms / (2π · fcar · C) (1)
In the equation (1), ΔV is a ripple voltage (peak to peak) (V). Irms is an effective value (A) of the output current of the
各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の容量は、実質的に同じである。各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の容量は、例えば、異なっていてもよい。キャリア周波数を決定する場合には、リプルが素子電圧を超えないように決める必要がある。例えば、容量の小さい電荷蓄積素子があると、その部分だけリプル電圧ΔVが大きくなる。例えば、第2上側スイッチング素子U2及び第2下側スイッチング素子X2にかかる電圧は、隣り合う各電荷蓄積素子CU1、CU2の差分になる。従って、隣り合う2つの電荷蓄積素子の容量の平均値が最小の部分に合わせて等価キャリア周波数fcarを決定する必要がある。 The capacitances of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 are substantially the same. The capacitances of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 may be different, for example. When determining the carrier frequency, it is necessary to determine that the ripple does not exceed the element voltage. For example, if there is a charge storage element having a small capacity, the ripple voltage ΔV increases only in that portion. For example, the voltage applied to the second upper switching element U2 and the second lower switching element X2 is the difference between the adjacent charge storage elements CU1 and CU2. Therefore, it is necessary to determine the equivalent carrier frequency fcar in accordance with the portion where the average value of the capacitances of two adjacent charge storage elements is minimum.
中間に位置する各スイッチング素子U2、X2、V2、Y2は、外側の各第2電荷蓄積素子CU2、CV2、及び、内側の各第1電荷蓄積素子CU1、CV1の双方の電圧リプルの影響を受ける。このため、中間に位置する各スイッチング素子U2、X2、V2、Y2に発生するリプル電圧は、ΔV/2(平均値からpeak値)+ΔV/2(平均値からpeak値)で、上記のように、ΔVとなる。 The switching elements U2, X2, V2, and Y2 located in the middle are affected by the voltage ripples of both the outer second charge storage elements CU2 and CV2 and the inner first charge storage elements CU1 and CV1. . Therefore, the ripple voltage generated in each of the switching elements U2, X2, V2, and Y2 located in the middle is ΔV / 2 (average value to peak value) + ΔV / 2 (average value to peak value), as described above. , ΔV.
例えば、直流電源2から供給される直流電圧が、約330Vである場合、外側の各第2電荷蓄積素子CU2、CV2の電圧は、約220Vであり、内側の各第1電荷蓄積素子CU1、CV1の電圧は、約110Vである。
For example, when the DC voltage supplied from the
また、各スイッチング素子に200V耐圧のSiを用いた場合、過電圧保護レベルは、約160Vに設定できる。10Vのマージンを設定した場合、リプル電圧ΔVは、160−10−110で、約40V未満に設定すればよいことになる。 Moreover, when 200V withstand voltage Si is used for each switching element, the overvoltage protection level can be set to about 160V. When a margin of 10V is set, the ripple voltage ΔV is 160-10-110, and it may be set to less than about 40V.
この場合には、ΔV<40Vを満たすように、(1)式から等価キャリア周波数fcarを求めればよい。従って、主回路部12の出力電力が低い時、すなわち、出力電流Irmsが小さい時には、等価キャリア周波数fcarを小さくすることができる。
In this case, the equivalent carrier frequency fcar may be obtained from the equation (1) so as to satisfy ΔV <40V. Therefore, when the output power of the
等価キャリア周波数fcarの最大値は、例えば、150kHz程度である。すなわち、キャリア周波数の最大値は、例えば、25kHz程度である。等価キャリア周波数fcarの最小値は、例えば、60kHz〜100kHz程度である。すなわち、キャリア周波数の最小値は、例えば、10kHz〜17kHz程度である。 The maximum value of the equivalent carrier frequency fcar is, for example, about 150 kHz. That is, the maximum value of the carrier frequency is about 25 kHz, for example. The minimum value of the equivalent carrier frequency fcar is, for example, about 60 kHz to 100 kHz. That is, the minimum value of the carrier frequency is, for example, about 10 kHz to 17 kHz.
キャリア生成部43は、周波数決定部42の決定した周波数の各キャリア信号CS1〜CS3を生成する。キャリア生成部43は、比較部45に接続されている。キャリア生成部43は、生成した各キャリア信号CS1〜CS3を比較部45に入力する。
The
変調波生成部44には、例えば、電力検出部24で検出された主回路部12の出力電力が入力される。また、変調波生成部44には、例えば、出力電力の電力指令値が入力される。変調波生成部44は、入力された出力電力の検出値と電力指令値とを基に、各レグLG1、LG2の変調波MWを生成する。変調波生成部44は、比較部45に接続されている。変調波生成部44は、生成した各変調波MWを比較部45に入力する。
For example, the output power of the
電力指令値は、例えば、電力系統などを制御する上位のコントローラなどから電力変換装置10に入力される。各電力指令値は、電力変換装置10内で生成してもよい。例えば、直流電源2が太陽電池パネルである場合には、太陽電池パネルの出力電圧と出力電流とから求められる最適動作点の電力を電力指令値として用いてもよい。
The power command value is input to the
比較部45は、図2(a)〜図2(d)に関して説明したように、入力された各変調波MWと各キャリア信号CS1〜CS3とを比較する。これにより、比較部45は、各変調波MWと各キャリア信号CS1〜CS3とから各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の制御信号を生成する。制御回路14は、比較部45で生成された各制御信号を各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の制御電極に入力し、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。
As described with reference to FIGS. 2A to 2D, the
太陽光発電や蓄電池の電力系統への導入を見込み、パワーコンディショナーシステム(PCS)の開発が進められている。例えば、5〜25kW程度の小容量〜中容量のPCSの開発も進められている。PCSにおいては、高効率電力変換が求められている。 Development of a power conditioner system (PCS) is being promoted in anticipation of the introduction of photovoltaic power generation and storage batteries into the power system. For example, development of a PCS having a small to medium capacity of about 5 to 25 kW is underway. In PCS, high-efficiency power conversion is required.
例えば、家庭向けの小容量のPCSには、高効率化だけでなく、高出力密度化が求められる。そのため、高い効率を維持したまま、体積を小さくする電力変換装置の設計が必要である。マルチレベル電力変換装置を使用することにより、出力波形が正弦波に近づくため、フィルタの体積を小さくできる。 For example, a small-capacity PCS for home use requires not only high efficiency but also high output density. Therefore, it is necessary to design a power converter that reduces the volume while maintaining high efficiency. By using a multi-level power converter, the output waveform approaches a sine wave, so that the volume of the filter can be reduced.
フライングキャパシタ回路方式によって中間電圧を生成する電力変換装置では、キャリア周波数を高くすることで、中間電圧を維持する電荷蓄積素子の電圧リプルを小さくできる。これにより、電荷蓄積素子の容量を小さくでき、電荷蓄積素子の体積を小さくできるため、高出力密度化につながる。また、マルチレベル電力変換器であるため、スイッチング素子には、素子耐圧の小さいものを用いることが可能である。スイッチング素子の導通抵抗は、耐圧の2乗にほぼ比例するため、低耐圧の素子を用いることで、低損失な電力変換装置を実現できる。最近では、GaNや低圧のSi、あるいはSiCの発展が目覚ましく、これらのスイッチング素子への応用が可能である。このため、フライングキャパシタ回路方式を用いたマルチレベル電力変換装置の研究・開発が行われている。 In a power conversion device that generates an intermediate voltage by a flying capacitor circuit system, the voltage ripple of the charge storage element that maintains the intermediate voltage can be reduced by increasing the carrier frequency. As a result, the capacity of the charge storage element can be reduced and the volume of the charge storage element can be reduced, leading to higher output density. Moreover, since it is a multilevel power converter, it is possible to use a switching element having a small element withstand voltage. Since the conduction resistance of the switching element is substantially proportional to the square of the breakdown voltage, a low-loss power converter can be realized by using a low breakdown voltage element. Recently, the development of GaN, low-pressure Si, or SiC has been remarkable, and application to these switching elements is possible. For this reason, research and development of multilevel power converters using a flying capacitor circuit system are being conducted.
PCSはソーラーパネルや蓄電池と接続され、系統側へのパワーを調整する機能を有する。出力電力は変動し、最大出力以下のすべてにおいて出力する可能性がある。そのため、最大出力以下の広範囲において高効率となるように設計する必要がある。 The PCS is connected to a solar panel or a storage battery, and has a function of adjusting power to the system side. The output power fluctuates and may be output at all below the maximum output. Therefore, it is necessary to design so as to be highly efficient in a wide range below the maximum output.
こうした背景から、フライングキャパシタ回路方式を用いたマルチレベル電力変換装置によるPCSでは、キャリア周波数を高く、コンデンサ容量を小さくすることで、高出力密度化を達成している。しかしながら、キャリア周波数を高くすると、各スイッチング素子のスイッチング周波数が高くなり、スイッチング損失が高くなってしまう。すなわち、電力の変換効率が低下してしまう。このため、フライングキャパシタ回路方式を用いたマルチレベル電力変換装置では、高出力密度を維持しつつ、高効率変換を実現することが望まれている。 From such a background, in the PCS by the multilevel power conversion device using the flying capacitor circuit method, high output density is achieved by increasing the carrier frequency and reducing the capacitor capacity. However, when the carrier frequency is increased, the switching frequency of each switching element is increased and the switching loss is increased. That is, the power conversion efficiency decreases. For this reason, in a multilevel power conversion device using a flying capacitor circuit system, it is desired to realize high-efficiency conversion while maintaining high output density.
中間電圧を生成する各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の電圧リプルは、キャリア周波数と、電荷蓄積素子の容量と、によって決まる。各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2には負荷電流が流れる。このため、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の電圧リプル、及び、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の電圧リプルは、最大出力時に最大となる。従って、最大出力時の電圧リプルが過電圧レベル以下となるように、キャリア周波数を設計しなければならない。しかしながら、最大出力以外では、電圧リプルと過電圧レベルとの間に余裕が発生する。 The voltage ripple of each of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 that generates the intermediate voltage is determined by the carrier frequency and the capacity of the charge storage element. A load current flows through each of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2. For this reason, the voltage ripples of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 and the voltage ripples of the switching elements U1 to U3, X1 to X3, V1 to V3, and Y1 to Y3 are maximized at the maximum output. Therefore, the carrier frequency must be designed so that the voltage ripple at the maximum output is below the overvoltage level. However, there is a margin between the voltage ripple and the overvoltage level except for the maximum output.
このため、本実施形態に係る電力変換装置10では、主回路部12の出力電力が最大値の時に、キャリア周波数を最大に設定し、主回路部12の出力電力が最大値よりも低い時に、キャリア周波数を低く設定する。これにより、電力変換装置10では、高出力密度を実現できるとともに、最大出力よりも低い出力の時のスイッチング損失を抑制し、変換効率を向上させることができる。高出力密度で高効率な電力変換装置10を実現できる。
For this reason, in the
電力変換装置10では、出力電力の実効値を基に、キャリア周波数を決定する。これにより、前述のように、キャリア周波数の計算を容易にできる。また、電力変換装置10では、出力電力の実効値が第1判定値DV1以上である場合に、キャリア周波数を最大にする。これにより、例えば、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2による電圧リプルを適切に抑制することができる。さらに、電力変換装置10では、出力電力の実効値が第2判定値DV2以下である場合に、キャリア周波数を最小にする。これにより、例えば、電圧リプルを規定値以内に抑えることができる。
In the
図4(a)〜図4(d)は、第1の実施形態に係る周波数決定部の別の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
上記実施形態では、出力電力の実効値が第1判定値DV1と第2判定値DV2との間の中間領域の値である場合、出力電力の実効値に応じて、キャリア周波数を最大周波数と最小周波数との間の周波数に連続的に変化させている。これに限ることなく、中間領域においては、例えば、図4(a)に表したように、出力電力の実効値に応じて、キャリア周波数を段階的に変化させてもよい。
FIG. 4A to FIG. 4D are graphs schematically illustrating an example of another operation of the frequency determination unit according to the first embodiment.
In the above embodiment, when the effective value of the output power is a value in the intermediate region between the first determination value DV1 and the second determination value DV2, the carrier frequency is set to the maximum frequency and the minimum according to the effective value of the output power. The frequency is continuously changed to between the frequencies. Without being limited thereto, in the intermediate region, for example, as shown in FIG. 4A, the carrier frequency may be changed stepwise in accordance with the effective value of the output power.
上記実施形態では、第1判定値DV1と第2判定値DV2とを基に、キャリア周波数を決定している。これに限ることなく、例えば、図4(b)に表したように、出力電力の実効値が所定の判定値以上である場合に、キャリア周波数を最大周波数に決定し、判定値未満である場合に、出力電力の実効値に応じて、キャリア周波数を最大周波数と最小周波数との間の周波数に連続的又は段階的に変化させてもよい。 In the above embodiment, the carrier frequency is determined based on the first determination value DV1 and the second determination value DV2. For example, as shown in FIG. 4B, when the effective value of the output power is equal to or higher than a predetermined determination value, the carrier frequency is determined as the maximum frequency and is lower than the determination value, for example. In addition, the carrier frequency may be changed continuously or stepwise to a frequency between the maximum frequency and the minimum frequency according to the effective value of the output power.
図4(c)に表したように、出力電力の実効値が所定の判定値未満である場合に、キャリア周波数を最小周波数に決定し、判定値以上である場合に、出力電力の実効値に応じて、キャリア周波数を最大周波数と最小周波数との間の周波数に連続的又は段階的に変化させてもよい。 As shown in FIG. 4C, when the effective value of the output power is less than the predetermined determination value, the carrier frequency is determined as the minimum frequency, and when it is equal to or higher than the determination value, the effective value of the output power is set. Accordingly, the carrier frequency may be changed continuously or stepwise to a frequency between the maximum frequency and the minimum frequency.
例えば、出力電力の実効値が所定の判定値以上である場合に、キャリア周波数を最大周波数に決定し、判定値未満である場合に、キャリア周波数を最小周波数に決定してもよい。すなわち、キャリア周波数は、2段階に変化させてもよい。 For example, the carrier frequency may be determined as the maximum frequency when the effective value of the output power is greater than or equal to a predetermined determination value, and the carrier frequency may be determined as the minimum frequency when it is less than the determination value. That is, the carrier frequency may be changed in two stages.
図4(d)に表したように、判定値を設けることなく、出力電力の実効値に応じて、キャリア周波数を最大周波数と最小周波数との間の周波数に連続的又は段階的に変化させてもよい。 As shown in FIG. 4D, the carrier frequency is changed continuously or stepwise to a frequency between the maximum frequency and the minimum frequency according to the effective value of the output power without providing a determination value. Also good.
(第2の実施形態)
図5(a)及び図5(b)は、第2の実施形態に係る電力変換装置の一部を模式的に表すブロック図である。
図5(a)及び図5(b)は、制御回路14を模式的に表している。この例において、主回路部12などは、上記第1の実施形態と実質的に同じであるから、詳細な説明を省略する。また、上記第1の実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5A and FIG. 5B are block diagrams schematically showing a part of the power conversion device according to the second embodiment.
FIG. 5A and FIG. 5B schematically show the
図5(a)に表したように、この例において、制御回路14は、安定化フィルタ46をさらに含む。安定化フィルタ46は、実効値算出部41と周波数決定部42との間に設けられている。安定化フィルタ46は、実効値算出部41で算出された出力電力の実効値に含まれるノイズを抑制する。
As shown in FIG. 5A, in this example, the
これにより、例えば、キャリア周波数の急激な変動を抑制することができる。例えば、キャリア周波数をより適切に求めることができる。例えば、キャリア周波数の挙動を安定化させることができる。安定化フィルタ46は、例えば、出力電力の実効値に対してソフトウェア的な制御を行うことにより、ノイズを抑制する。これにより、例えば、安定化フィルタ46を設けた場合にも、出力密度の低下を抑制することができる。
Thereby, for example, rapid fluctuations in the carrier frequency can be suppressed. For example, the carrier frequency can be obtained more appropriately. For example, the carrier frequency behavior can be stabilized. The
図5(b)に表したように、安定化フィルタ46は、周波数決定部42とキャリア生成部43との間に設けてもよい。この場合にも、出力電力の実効値に含まれるノイズにともなうキャリア周波数の急激な変動を抑制することができる。
As illustrated in FIG. 5B, the
このように、安定化フィルタ46は、実効値算出部41と周波数決定部42との間、及び、周波数決定部42とキャリア生成部43との間の双方に設けてもよい。すなわち、安定化フィルタ46は、実効値算出部41と周波数決定部42との間、及び、周波数決定部42とキャリア生成部43との間の、少なくとも一方に設ければよい。
In this way, the
(第3の実施形態)
図6は、第3の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図6に表したように、電力変換装置100の主回路部12では、第1レグLG1が、第1電圧検出部51Uと、第2電圧検出部52Uと、をさらに含む。第1電圧検出部51Uは、第1電荷蓄積素子CU1の電圧Vcu1を検出する。第2電圧検出部52Uは、第2電荷蓄積素子CU2の電圧Vcu2を検出する。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a block diagram schematically illustrating a power conversion device according to the third embodiment.
As illustrated in FIG. 6, in the
同様に、第2レグLG2は、第1電圧検出部51Vと、第2電圧検出部52Vと、をさらに含む。第1電圧検出部51Vは、第1電荷蓄積素子CV1の電圧Vcv1を検出する。第2電圧検出部52Vは、第2電荷蓄積素子CV2の電圧Vcv2を検出する。
Similarly, the second leg LG2 further includes a first voltage detection unit 51V and a second
第1電圧検出部51Uは、例えば、第1電荷蓄積素子CU1に対して並列に接続された抵抗素子である。第1電圧検出部51Uは、これに限ることなく、第1電荷蓄積素子CU1の電圧を検出可能な任意の構成でよい。各電圧検出部51V、52U、52Vは、第1電圧検出部51Uと実質的に同じであるから、説明を省略する。
The first voltage detection unit 51U is, for example, a resistance element connected in parallel to the first charge storage element CU1. The first voltage detector 51U is not limited to this, and may have any configuration that can detect the voltage of the first charge storage element CU1. Since each
電力変換装置100では、制御回路14が、電圧制御部54をさらに含む。電圧制御部54は、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vのそれぞれと接続されている。電圧制御部54は、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vから各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を取得する。電圧制御部54は、変調波生成部44に接続されている。電圧制御部54は、取得した各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を変調波生成部44に入力する。
In the
変調波生成部44は、入力された出力電力の検出値、電力指令値、及び、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を基に、各レグLG1、LG2の変調波MWを生成する。変調波生成部44は、例えば、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2が実質的に一定になるように、各レグLG1、LG2の変調波MWを生成する。
The modulation
各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2は、負荷4の条件や各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3の状態によって変化する場合がある。
The voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 of the charge storage elements CU1, CU2, CV1, and CV2 vary depending on the conditions of the
この例では、制御回路14が、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vの検出結果を基に、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を制御する。制御回路14は、例えば、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2が実質的に一定になるように、各スイッチング素子U1〜U3、X1〜X3、V1〜V3、Y1〜Y3のオン・オフを制御する。
In this example, the
これにより、例えば、各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の変動を抑制することができる。例えば、電力変換装置100の動作をより安定させることができる。なお、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の電圧の制御方法については、例えば、「IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.59, NO.2, FEBRUARY 2012 Active Capacitor Voltage Balancing in Single-Phase Flying-Capacitor Multilevel Power Converters」の論文などに詳細に記載されている。
Thereby, for example, fluctuations in the voltages Vcu1, Vcu2, Vcv1, and Vcv2 can be suppressed. For example, the operation of the
なお、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の制御を行うことなく、例えば、各電圧検出部51U、51V、52U、52Vのように、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2のそれぞれに抵抗素子を並列に接続してもよい。これにより、例えば、抵抗素子を設けない場合に比べて、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2の各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2の変動を抑制することができる。各電圧Vcu1、Vcu2、Vcv1、Vcv2を安定化させることができる。抵抗素子は、例えば、各電荷蓄積素子CU1、CU2、CV1、CV2などに対して、直列に接続してもよい。
In addition, without controlling each voltage Vcu1, Vcu2, Vcv1, Vcv2 of each charge storage element CU1, CU2, CV1, CV2, for example, each charge storage like each
実施形態によれば、高出力密度で高効率な電力変換装置が提供される。 According to the embodiment, a high-power density and high-efficiency power conversion device is provided.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電力変換装置に含まれる、インバータ、フィルタ、主回路部、高電位入力端子、低電位入力端子、レグ、第1上側スイッチング素子、第2上側スイッチング素子、第1下側スイッチング素子、第2下側スイッチング素子、電荷蓄積素子、電力検出部、制御回路、周波数決定部、実効値算出部、安定化フィルタ、電圧検出部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, the inverter, filter, main circuit unit, high potential input terminal, low potential input terminal, leg, first upper switching element, second upper switching element, first lower switching element, second, included in the power conversion device A person skilled in the art knows the specific configuration of each element such as the lower switching element, the charge storage element, the power detection unit, the control circuit, the frequency determination unit, the effective value calculation unit, the stabilization filter, and the voltage detection unit. As long as the present invention can be carried out in the same manner and the same effect can be obtained by appropriately selecting from the above, it is included in the scope of the present invention.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
その他、本発明の実施の形態として上述した電力変換装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての電力変換装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all power converters that can be implemented by those skilled in the art based on the power converters described above as embodiments of the present invention are also included in the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. Belonging to.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
2…直流電源、 4…負荷、 10、100…電力変換装置、 12…主回路部、 14…制御回路、 20…インバータ、 22…フィルタ、 24…電力検出部、 25…電圧検出部、 26…電流検出部、 40…交流値検出部、 41…実効値算出部、 42…周波数決定部、 43…キャリア生成部、 44…変調波生成部、 45…比較部、 46…安定化フィルタ、 51U、51V、52U、52V…電圧検出部(抵抗素子)、 54…電圧制御部、 CS1〜CS3…キャリア信号、 CU1、CU2、CV1、CV2…電荷蓄積素子、 LG1、LG2…レグ、 LA1、LA2、UA1、UA2…アーム、 MW…変調波、 U1〜U3、V1〜V3、X1〜X3、Y1〜Y3…スイッチング素子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記インバータは、
前記直流電源の陽極に接続される高電位入力端子と、
前記直流電源の陰極に接続される低電位入力端子と、
前記高電位入力端子と前記低電位入力端子との間に接続される複数のレグと、
を含み、
前記複数のレグのそれぞれは、
前記高電位入力端子と前記低電位入力端子との間に接続された第1上側スイッチング素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記高電位入力端子との間に接続された第2上側スイッチング素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記低電位入力端子との間に接続された第1下側スイッチング素子と、
前記第1下側スイッチング素子と前記低電位入力端子との間に接続された第2下側スイッチング素子と、
前記第1上側スイッチング素子と前記第2上側スイッチング素子との間に接続された一端と、前記第1下側スイッチング素子と前記第2下側スイッチング素子との間に接続された他端と、を有する電荷蓄積素子と、
を含む
主回路部と、
前記主回路部の出力電力を検出する電力検出部と、
前記複数のレグ毎に設定される複数の変調波と、前記複数のレグの前記第1上側スイッチング素子及び前記第2上側スイッチング素子のそれぞれに設定される複数のキャリア信号と、を基に、前記第1上側スイッチング素子、前記第2上側スイッチング素子、前記第1下側スイッチング素子及び前記第2下側スイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電力検出部で検出された前記主回路部の前記出力電力を基に、前記複数のキャリア信号の周波数を決定する周波数決定部であって、前記出力電力が最大値の時に、前記複数のキャリア信号の周波数を最大の周波数に決定し、前記出力電力が最大値よりも低い時に、前記複数のキャリア信号の周波数を前記最大の周波数よりも低い周波数に決定する周波数決定部を含む電力変換装置。 A main circuit unit comprising: an inverter that converts DC power supplied from a DC power source into AC power; and a filter that suppresses harmonic components of the AC power output from the inverter,
The inverter is
A high potential input terminal connected to the anode of the DC power supply;
A low potential input terminal connected to the cathode of the DC power supply;
A plurality of legs connected between the high potential input terminal and the low potential input terminal;
Including
Each of the plurality of legs is
A first upper switching element connected between the high potential input terminal and the low potential input terminal;
A second upper switching element connected between the first upper switching element and the high potential input terminal;
A first lower switching element connected between the first upper switching element and the low potential input terminal;
A second lower switching element connected between the first lower switching element and the low potential input terminal;
One end connected between the first upper switching element and the second upper switching element and the other end connected between the first lower switching element and the second lower switching element. A charge storage device having
A main circuit section including
A power detection unit for detecting output power of the main circuit unit;
Based on a plurality of modulated waves set for each of the plurality of legs and a plurality of carrier signals set for each of the first upper switching element and the second upper switching element of the plurality of legs, A control circuit for controlling on / off of the first upper switching element, the second upper switching element, the first lower switching element, and the second lower switching element;
With
The control circuit is a frequency determination unit that determines frequencies of the plurality of carrier signals based on the output power of the main circuit unit detected by the power detection unit, and when the output power is a maximum value A frequency determining unit that determines a frequency of the plurality of carrier signals as a maximum frequency, and determines a frequency of the plurality of carrier signals as a frequency lower than the maximum frequency when the output power is lower than a maximum value. Including power conversion device.
前記周波数決定部は、前記実効値算出部で算出された前記出力電力の実効値を基に、前記複数のキャリア信号の周波数を決定する請求項1記載の電力変換装置。 The control circuit further includes an effective value calculation unit for calculating an effective value of the output power,
The power conversion device according to claim 1, wherein the frequency determination unit determines frequencies of the plurality of carrier signals based on an effective value of the output power calculated by the effective value calculation unit.
前記制御回路は、前記複数のレグのそれぞれの前記電圧検出部の検出結果を基に、前記複数のレグのそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧を制御する請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力変換装置。 Each of the plurality of legs further includes a voltage detection unit that detects a voltage of the charge storage element,
5. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit controls a voltage of the charge storage element of each of the plurality of legs based on a detection result of the voltage detection unit of each of the plurality of legs. The power converter described.
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