JP6320145B2 - 電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換方法に関する。
電力変換装置では、１次側の変換装置と２次側の変換装置とが変圧器によって絶縁される。この２次側の変換装置により変換される電力を制御するための２次側制御回路に対して絶縁された電源を供給するために、例えば、１次側の変換装置の入力端を絶縁型のＤＣ／ＡＣコンバータ、絶縁型の電源ＩＣや変圧器を介して２次側制御回路に接続して使用している。
上記のように、１次側の変換装置から２次側制御回路に電源を供給するために、絶縁型のＤＣ／ＡＣコンバータ、電源ＩＣ、変圧器を設けると、部品点数の増加によるコスト増加が無視できない。
本発明が解決しようとする課題は、絶縁された電源を１次側の変換装置から２次側の制御回路に供給するための部品にかかるコストを低減することが可能な電力変換装置および電力変換方法を提供することである。
実施形態における電力変換装置は、変圧器の１次巻線に接続される１次側直交変換装置、変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置、１次巻線との間で変圧を行なうための変圧器の３次巻線に接続されて１次巻線と３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置、および交直変換装置により変換された電力を受けて、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて、２次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路と、前記１次側直交変換装置の入力側の電圧に基づいて前記１次側直交変換装置の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する１次側制御回路とをもつ。
実施形態における電力変換装置は、変圧器の１次巻線に接続される共振型変換器である１次側直交変換装置と、変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置と、１次巻線との間で変圧を行なうための変圧器の３次巻線に接続されて１次巻線と３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置と、交直変換装置により変換された電力を受けて２次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路と、１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて１次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する電圧調整回路とをもつ。
実施形態における電力変換方法は、変圧器の１次巻線に接続される１次側直交変換装置、および前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、前記変圧器の前記１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、前記変換された電力を受けて、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて、前記２次側変換装置により変換する電力を制御し、前記１次側直交変換装置の入力側の電圧に基づいて前記１次側直交変換装置の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する。
実施形態における電力変換方法は、変圧器の１次巻線に接続される共振型変換器である１次側直交変換装置、および前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、前記変圧器の前記１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、前記変換された電力を受けて前記２次側変換装置により変換する電力を制御し、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて前記１次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する。
実施形態における電力変換装置は、変圧器の１次巻線に接続される共振型変換器である１次側直交変換装置と、変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置と、１次巻線との間で変圧を行なうための変圧器の３次巻線に接続されて１次巻線と３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置と、交直変換装置により変換された電力を受けて２次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路と、１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて１次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する電圧調整回路とをもつ。
実施形態における電力変換方法は、変圧器の１次巻線に接続される１次側直交変換装置、および前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、前記変圧器の前記１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、前記変換された電力を受けて、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて、前記２次側変換装置により変換する電力を制御し、前記１次側直交変換装置の入力側の電圧に基づいて前記１次側直交変換装置の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する。
実施形態における電力変換方法は、変圧器の１次巻線に接続される共振型変換器である１次側直交変換装置、および前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、前記変圧器の前記１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、前記変換された電力を受けて前記２次側変換装置により変換する電力を制御し、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて前記１次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する。
本発明によれば、絶縁された電源を１次側の変換装置から２次側の制御回路に供給するための部品にかかるコストを低減することができる。
以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
第１の実施形態では、主の電力変換装置である１次側直交変換装置１１と２次側変換装置１２との間に電気絶縁する変圧器１３が設けられる。
また、電源入力側の１次側直交変換装置１１の前段の正側直流母線および負側直流母線の間に平滑コンデンサ１４が設けられる。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
第１の実施形態では、主の電力変換装置である１次側直交変換装置１１と２次側変換装置１２との間に電気絶縁する変圧器１３が設けられる。
また、電源入力側の１次側直交変換装置１１の前段の正側直流母線および負側直流母線の間に平滑コンデンサ１４が設けられる。
また、変圧器１３の２次側変換装置１２側には１次側直交変換装置１１側の１次巻線との間で変圧を行なうための２次巻線が設けられる。２次巻線には２次側変換装置１２が接続され、この２次側変換装置１２の出力側が電源出力側となる。
また、変圧器１３の２次側変換装置１２側には、２次巻線とは別に、１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線が設けられる。
この３次巻線には、１次巻線と３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なうための交直変換装置１５が接続される。この交直変換装置１５は、整流回路、電流平滑用リアクトルおよび平滑用コンデンサを有する。交直変換装置１５は、２次側変換装置１２用の制御回路としての２次側制御回路１６に接続される。この２次側制御回路１６は、ゲートドライブ回路などを含む。
この３次巻線には、１次巻線と３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なうための交直変換装置１５が接続される。この交直変換装置１５は、整流回路、電流平滑用リアクトルおよび平滑用コンデンサを有する。交直変換装置１５は、２次側変換装置１２用の制御回路としての２次側制御回路１６に接続される。この２次側制御回路１６は、ゲートドライブ回路などを含む。
交直変換装置１５は、変圧器１３の１次巻線と３次巻線との間で変圧された電力を２次側制御回路１６に供給する。２次側制御回路１６は、交直変換装置１５から供給された電力を受けて、２次側変換装置１２が変換する電力を制御する。
このように、第１の実施形態では、１次側直交変換装置１１から、変圧器１３の１次巻線、３次巻線、および交直変換装置１５を介して２次側制御回路１６へ電源を供給することができる。このため、２次側制御回路１６のための制御電源用の部品、例えば１次側直交変換装置１１との間の絶縁回路や電源ＩＣなどを別途設ける必要がなくなる。これにより、絶縁された電源を１次側直交変換装置１１から２次側制御回路１６へ供給するためのコストを低減することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における構成のうち第１の実施形態で説明した部分と同一部分の詳細な説明は省略する。
図２は、第２の実施形態における電力変換装置の１次側直交変換装置の構成例を示す図である。
図２に示した例では、１次側直交変換装置１１は、フルブリッジ共振型の変換装置である。具体的には、１次側直交変換装置１１は、電源入力側からみた正側直流母線および負側直流母線の間に２個の半導体スイッチング素子１１ａを直列接続して構成するブリッジを２組配置した回路を有する。１組目の正側のスイッチング素子１１ａと負側のスイッチング素子１１ａとの間の接続点は共振コンデンサ１１ｂを介して変圧器１３の１次巻線に接続される。また、２組目の正側のスイッチング素子１１ａと負側のスイッチング素子１１ａとの間の接続点は共振コンデンサ１１ｂを介さずに変圧器１３の１次巻線に接続される。
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における構成のうち第１の実施形態で説明した部分と同一部分の詳細な説明は省略する。
図２は、第２の実施形態における電力変換装置の１次側直交変換装置の構成例を示す図である。
図２に示した例では、１次側直交変換装置１１は、フルブリッジ共振型の変換装置である。具体的には、１次側直交変換装置１１は、電源入力側からみた正側直流母線および負側直流母線の間に２個の半導体スイッチング素子１１ａを直列接続して構成するブリッジを２組配置した回路を有する。１組目の正側のスイッチング素子１１ａと負側のスイッチング素子１１ａとの間の接続点は共振コンデンサ１１ｂを介して変圧器１３の１次巻線に接続される。また、２組目の正側のスイッチング素子１１ａと負側のスイッチング素子１１ａとの間の接続点は共振コンデンサ１１ｂを介さずに変圧器１３の１次巻線に接続される。
前述したように、第１の実施形態では制御電源用の交直変換装置１５は電流平滑用リアクトルを有する。一方、第２の実施形態では、１次側直交変換装置１１を共振型の変換装置としているので、制御電源用の交直変換装置１５は電流平滑用リアクトルが不要である。
図３は、第２の実施形態における電力変換装置の１次側直交変換装置の構成の変形例を示す図である。
図３に示した例では、１次側直交変換装置１１は、ハーフブリッジ共振型の変換装置である。具体的には、１次側直交変換装置１１は、電源入力側からみた正側直流母線および負側直流母線の間に２個の半導体スイッチング素子１１ｃを直列接続して構成するブリッジを１組配置し、かつ、正側直流母線および負側直流母線の間に２個の共振コンデンサ１１ｄを直列接続して構成した回路を有する。
図３は、第２の実施形態における電力変換装置の１次側直交変換装置の構成の変形例を示す図である。
図３に示した例では、１次側直交変換装置１１は、ハーフブリッジ共振型の変換装置である。具体的には、１次側直交変換装置１１は、電源入力側からみた正側直流母線および負側直流母線の間に２個の半導体スイッチング素子１１ｃを直列接続して構成するブリッジを１組配置し、かつ、正側直流母線および負側直流母線の間に２個の共振コンデンサ１１ｄを直列接続して構成した回路を有する。
正側のスイッチング素子１１ｃと負側のスイッチング素子１１ｃとの間の接続点、および２個の共振コンデンサ１１ｂの間の接続点は変圧器１３の１次巻線に接続される。図２に示した構成と同様に、図３に示した構成では、制御電源用の交直変換装置１５は電流平滑用リアクトルを設ける必要がない。
図２や図３に示した構成では、制御電源用の交直変換装置１５に電流平滑用リアクトルを設ける必要がないので、第１の実施形態と比較して制御電源用の回路の部品点数をさらに削減することができ、コストをさらに低減することができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図４は、第３の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。第３の実施形態では、絶縁された複数種類の制御電源を２次側制御回路１６へ供給する回路を備える。
次に、第３の実施形態について説明する。
図４は、第３の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。第３の実施形態では、絶縁された複数種類の制御電源を２次側制御回路１６へ供給する回路を備える。
第１の実施形態では、電源入力側からみた絶縁された制御電源が１つであるが、第３の実施形態では、絶縁された制御電源を複数設けて、複数種類の電圧の制御電源を発生させる。
図４に示した例では、変圧器１３に３次巻線を３つ設け、それぞれの３次巻線用の交直変換装置１５および２次側制御回路１６を設ける構成としている。
１つ目の交直変換装置１５は、所定の第１の電圧による電力を対応する２次側制御回路１６に供給する。２つ目の交直変換装置１５は、所定の第２の電圧による電力を対応する２次側制御回路１６に供給する。３つ目の交直変換装置１５は、所定の第３の電圧による電力を対応する２次側制御回路１６に供給する。所定の第１ないし第３の電圧はそれぞれ異なっていてもよい。
１つ目の交直変換装置１５は、所定の第１の電圧による電力を対応する２次側制御回路１６に供給する。２つ目の交直変換装置１５は、所定の第２の電圧による電力を対応する２次側制御回路１６に供給する。３つ目の交直変換装置１５は、所定の第３の電圧による電力を対応する２次側制御回路１６に供給する。所定の第１ないし第３の電圧はそれぞれ異なっていてもよい。
１つ目の２次側制御回路１６は、１つ目の交直変換装置１５からの第１の電圧による電力の供給を受けて、２次側変換装置１２における第１の電圧に応じて変換する電力の制御を行なう。同様に、２つ目の２次側制御回路１６は、２つ目の交直変換装置１５からの第２の電圧による電力の供給を受けて、２次側変換装置１２における第２の電圧に応じて変換する電力の制御を行なう。同様に、３つ目の２次側制御回路１６は、３つ目の交直変換装置１５からの第３の電圧による電力の供給を受けて、２次側変換装置１２における第３の電圧に応じて変換する電力の制御を行なう。
本実施形態においては、変圧器１３に３次巻線を複数設ける構成としている。この構成では、２次側制御回路１６において複数の電源ＩＣを設けることなく複数種類の電圧の制御電源を２次側制御回路１６に供給することができる。このため、複数種類の電圧の制御電源を２次側制御回路１６に供給するためのコストを低減することができる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図５は、第４の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
第４の実施形態では、共振型の１次側直交変換装置１１の入力側の平滑コンデンサ１４の前段に１次側直交変換装置１１の直流電圧を調整するための電圧調整回路２１を備える。また、この実施形態では、電圧調整回路２１を制御するための制御回路２２が設けられる。制御回路２２は、平滑コンデンサ１４に流れる電流を検出し、この検出した電流に基づいて電圧調整回路２１を制御する事で、１次側直交変換装置１１の入力側の直流電圧の定電圧制御を行なう。
また、制御回路２２により制御される電圧値は任意に設定される。設定される電圧値は、例えばアナログ回路に使用される１５Ｖ、２４Ｖ、３０Ｖ（±１５Ｖ）などである。
次に、第４の実施形態について説明する。
図５は、第４の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
第４の実施形態では、共振型の１次側直交変換装置１１の入力側の平滑コンデンサ１４の前段に１次側直交変換装置１１の直流電圧を調整するための電圧調整回路２１を備える。また、この実施形態では、電圧調整回路２１を制御するための制御回路２２が設けられる。制御回路２２は、平滑コンデンサ１４に流れる電流を検出し、この検出した電流に基づいて電圧調整回路２１を制御する事で、１次側直交変換装置１１の入力側の直流電圧の定電圧制御を行なう。
また、制御回路２２により制御される電圧値は任意に設定される。設定される電圧値は、例えばアナログ回路に使用される１５Ｖ、２４Ｖ、３０Ｖ（±１５Ｖ）などである。
このような構成とすることで、１次側直交変換装置１１にかかる直流電圧の調整を行なうことができるので、２次側制御回路１６へ供給される電源電圧の調整と２次側変換装置１２の電圧の調整とを１つの回路で実現することができる。よって、交直変換装置１５や２次側変換装置１２にかかる電圧調整回路が不要となり、部品点数を削減することができるため、コストを低減することができる。
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。
図６は、第５の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、１次側直交変換装置１１の入力側の電源は、太陽光発電素子などの、変動成分を有する電流源３１である。さらに、本実施形態では、変圧器１３からみた１次側に１次側制御回路３２、絶縁回路３３を備える。
次に、第５の実施形態について説明する。
図６は、第５の実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、１次側直交変換装置１１の入力側の電源は、太陽光発電素子などの、変動成分を有する電流源３１である。さらに、本実施形態では、変圧器１３からみた１次側に１次側制御回路３２、絶縁回路３３を備える。
１次側制御回路３２は、１次側直交変換装置１１の入力側の電圧を検出し、この検出された電圧に基づいて、１次側直交変換装置１１の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する。この直流電圧は太陽光発電素子などの特性に合わせ、最大電力が発電できる所定値に制御される。この構成により、１次側直交変換装置１１の制御を簡易化（オープンループ制御など）することができる。
また、２次側制御回路１６は、１次側直交変換装置１１の前段の平滑コンデンサ１４に流れる電流を絶縁回路３３を介して検出する。２次側制御回路１６は、この検出した電流に基づいて、２次側変換装置１２が変換する電力を制御する。これにより、１次側から２次側にかけて予期しない外乱が生じても２次側変換装置１２が変換する電力を適切に制御することができる。
このように、第５の実施形態では、１次側直交変換装置１１や２次側変換装置１２の適切な制御のための回路の部品点数を削減することができる。
このように、第５の実施形態では、１次側直交変換装置１１や２次側変換装置１２の適切な制御のための回路の部品点数を削減することができる。
なお、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。
１１…１次側直交変換装置、１２…２次側変換装置、１３…変圧器、１４…平滑コンデンサ、１５…交直変換装置、１６…２次側制御回路、２１…電圧調整回路、２２…制御回路、３１…電流源、３２…１次側制御回路、３３…絶縁回路。
Claims (6)
- 変圧器の１次巻線に接続される１次側直交変換装置と、
前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置と、
前記１次巻線との間で変圧を行なうための前記変圧器の３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置と、
前記交直変換装置により変換された電力を受けて、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて、前記２次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路と、
前記１次側直交変換装置の入力側の電圧に基づいて前記１次側直交変換装置の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する１次側制御回路とを備えた電力変換装置。 - 変圧器の１次巻線に接続される共振型変換器である１次側直交変換装置と、
前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置と、
前記１次巻線との間で変圧を行なうための前記変圧器の３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行なう交直変換装置と、
前記交直変換装置により変換された電力を受けて前記２次側変換装置により変換する電力を制御する制御回路と、
前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて前記１次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する電圧調整回路とを備えた電力変換装置。 - 前記３次巻線は、複数の３次巻線であり、
前記交直変換装置は、前記複数の３次巻線のそれぞれに対して個別の電圧による交直変換を行なう請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。 - 変圧器の１次巻線に接続される１次側直交変換装置、および前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、
前記変圧器の前記１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、
前記変換された電力を受けて、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて、前記２次側変換装置により変換する電力を制御し、前記１次側直交変換装置の入力側の電圧に基づいて前記１次側直交変換装置の入力側に供給される直流電圧を任意の所定値に制御する電力変換方法。 - 変圧器の１次巻線に接続される共振型変換器である１次側直交変換装置、および前記変圧器の２次巻線に接続される２次側変換装置を有する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、
前記変圧器の前記１次巻線との間で変圧を行なうための３次巻線に接続されて前記１次巻線と前記３次巻線との間で変圧された電力の交直変換を行ない、
前記変換された電力を受けて前記２次側変換装置により変換する電力を制御し、前記１次側直交変換装置の前段の平滑コンデンサに流れる電流に基づいて前記１次側直交変換装置の直流電圧を任意の所定値に制御する電力変換方法。 - 前記３次巻線は、複数の３次巻線であり、
前記交直変換を行なうことは、前記複数の３次巻線のそれぞれに対して個別の電圧による交直変換を行なうことである請求項４または請求項５に記載の電力変換方法。
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