JP6355187B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
この発明は、多相交流電源を入力とし、交流から交流に直接変換する電力変換装置に関する。
従来、多相交流電源を入力とし、交流から交流に直接変換する電力変換装置（マトリックスコンバータ）がある（非特許文献１、２等参照）。マトリックスコンバータは、入力である多相交流電源の各相に接続した双方向スイッチをオン／オフし、負荷側に出力する相間電圧にかかる２つの相の組み合わせを切り替えることによって、直流に変換することなく、交流を負荷側に出力する。マトリクスコンバータは、負荷側に出力する交流の電圧や周波数に応じて、双方向スイッチの切り替えを制御する。
マトリックスコンバータは、交流から交流に直接変換するので、交流から直流に変換した後、再度交流に変換するインバータを用いた電力変換装置に比べて変換損失が小さい。また、マトリックスコンバータは、インバータ回路を必要としないので小型化の面においても優れている。
http://www.yaskawa.co.jp/technology/tech03_m.html
http://www.fujielectric.co.jp/about/news/06030601/
しかしながら、マトリックスコンバータは、双方向スイッチのオン／オフにかかる切り替えがハードスイッチングで行われることがあった。双方向スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体デバイスで構成されている。双方向スイッチのオン／オフにかかる切り替えがハードスイッチングで行われると、パワー半導体デバイスで生じるスイッチング損失が大きくなり、変換効率を低下させる。また、パワー半導体デバイスにかかるストレスも大きい。
また、スイッチング損失が大きいと、負荷側に出力する出力電圧の周波数を高くするにつれて変換効率が低下するので、実用的な範囲での出力電圧の高周波化が困難であった。
この発明の目的は、スイッチング損失を抑えて変換効率を向上させるとともに、双方向スイッチにかかるストレスを低減して信頼性を向上させた電力変換装置を提供することにある。
この発明の電力変換装置は、上記目的を達するために、電力変換回路と、スイッチング制御回路と、共振回路と、を備えている。
電力変換回路は、多相交流電源を入力とし、この多相交流電源の相毎に接続される複数の双方向スイッチを有する。スイッチング制御回路は、双方向スイッチの状態を制御し、電力変換回路から負荷側に出力する相間電圧にかかる多相交流電源の２つの相の組み合わせを切り替える。共振回路は、電力変換回路の出力側に接続している。
そして、スイッチング制御回路は、負荷側に相間電圧を出力する２つの相の組み合わせの切り替え時に、この切り替えにかかる双方向スイッチの状態をソフトスイッチングで行う。ソフトスイッチングとは、スイッチの切り替えタイミングで、電流または電圧のいずれかがゼロからゆっくり立ち上がることで電圧電流の時間積分で計算される電力損失を低減するものである。また、共振回路の共振周波数は、スイッチング制御回路による双方向スイッチの状態制御によって電力変換回路から負荷側に出力する相間電圧の周波数と略同じである。
この構成では、共振回路を設けたことで、電力変換回路の出力電圧に対して出力電流の位相が遅れるので、双方向スイッチの状態をゼロ電流シーケンス（ＺＣＳ）によるソフトスイッチングで行える。したがって、スイッチング損失を抑えて変換効率を向上させることができるとともに、双方向スイッチにかかるストレスを低減して信頼性を向上させることができる。
さらに、電力変換回路の出力電圧の周波数を、共振回路の共振周波数と略同じにしたことによって、出力電圧の実用的な範囲での高周波化が行える。すなわち、電力変換回路の出力電圧の周波数に応じて、共振回路の共振周波数を定めればよい。
また、コンデンサを双方向スイッチに並列に接続してもよい。このコンデンサが、スナバコンデンサとして機能するので、双方向スイッチの状態をゼロ電圧シーケンス（ＺＶＳ）によるソフトスイッチングで行える。したがって、スイッチング損失を抑えて変換効率を向上させることができるとともに、双方向スイッチにかかるストレスを低減して信頼性を向上させることができる。
また、双方向スイッチは、逆並列接続した２つのスイッチング素子を有し、コンデンサをスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に接続した構成とし、スイッチング制御回路が、負荷側に相間電力を出力する２つの相の組み合わせの切り替え時に、この切り替えにかかる双方向スイッチが有するスイッチング素子を順番にソフトスイッチングで状態の切り替えを行う。
この発明によれば、スイッチング損失を抑えて変換効率を向上させることができるとともに、双方向スイッチにかかるストレスを低減して信頼性を向上させることができる。
以下、この発明の実施形態である電力変換装置について説明する。
図１は、この例にかかる電力変換装置の回路構成を示す概略図である。この電力変換装置１は、電力変換回路２と、共振回路３と、スイッチング制御回路４と、を備えている。
この電力変換装置１は、三相交流電源を入力とし、単相の交流電圧を出力する。電力変換装置１は、交流から交流に直接変換する。
この例にかかる電力変換回路２は、双方向スイッチを６つ備える。入力である三相交流電源の各相には、２つの双方向スイッチが並列に接続されている。双方向スイッチは、逆導通しない構造をもつ２つのスイッチと、２つのダイオードと、１つのコンデンサとで構成している。６つの双方向スイッチは、同じ構成である。
この双方向スイッチについて説明する。ここでは、図１に示すスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、コンデンサＣ１で構成される双方向スイッチを例にして説明する。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は、逆導通しない構造をもつ半導体スイッチであり、例えば絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。この双方向スイッチは、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を逆並列接続している。また、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のコレクタには、ダイオードＤ１、Ｄ２が順方向に接続されている。さらに、逆並列接続しているスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のコレクタ−エミッタ間にコンデンサＣ１を接続している。なお、図１に示す他の５つの双方向スイッチも同じ回路構成である。コンデンサＣ１〜Ｃ６は、スナバコンデンサとして機能する。
この電力変換回路２は、マトリックスコンバータ（ＭＣ）である。電力変換回路２は、入力である三相交流電源のいずれか２相の相間電圧を出力する。電力変換回路２が出力する相間電圧にかかる三相交流電源の２相の選択は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフによって行われる。後述するスイッチング制御回路４が、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフを制御する。
共振回路３は、コンデンサＣ３１と、コイルＬ３１とを直列に接続したＬＣ回路である。この共振回路３は、電力変換回路２の出力に接続している。共振回路３の共振周波数は、電力変換回路２から出力する交流電圧の周波数に応じて定めている。具体的には、共振回路３は、後述するトランス５のリアクタンス成分も含めた共振周波数が、電力変換回路２から出力する交流電圧の周波数と略同じになるように、コンデンサＣ３１、およびコイルＬ３１の大きさを定めている。
スイッチング制御回路４は、電力変換回路２が備えるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフ状態を個別に制御することにより、電力変換回路２における転流動作を制御する。転流動作とは、公知のように、電流が流れている任意の相から別の相へ電流を切り替える動作である。スイッチング制御回路４は、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２に対して個別に生成したゲート信号を与える。スイッチング制御回路４は、入力である三相交流電源の各相の電圧や、負荷回路１０の両端電圧等を入力とし、これらに基づいて各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２に対するゲート信号を生成する。スイッチング制御回路４は、電力変換回路２から出力する交流電圧の周波数に応じたスイッチング周波数でスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２を制御する。
電力変換装置１の出力は、トランス５の一次側に接続されている。また、トランス５の二次側には、負荷回路１０が接続されている。
図２は、入力である三相交流電源の各相の電圧波形を示す図である。各相の電圧波形ｅｒ、ｅｓ、ｅｔは、位相が２／３π（１２０°）ずつずれている。スイッチング制御回路４は、各相の電圧の大小関係で分類した６パターンの区間（図２に示す、Ａ〜Ｆの区間）毎に、その区間に応じた制御パターンで電力変換回路２の６つの双方向スイッチの状態（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフ状態）を制御する。すなわち、スイッチング制御回路４による双方向スイッチの状態の制御パターン（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフ状態の制御パターン）は、各相の電圧の大小関係で分類した６パターンの区間毎に異なる。
図３は、図２示す区間Ｄにおけるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２の制御パターンを示す図である。この区間Ｄは、ｅｔ≧ｅｒ≧ｅｓの状態である。図３では、双方向スイッチを構成する２つのスイッチング素子を同じタイミングでオン／オフするものとして図示しているが、実際には、電源短絡を防止し、且つ負荷電流が還流する経路を確保するために、双方向スイッチを構成する２つのスイッチング素子をオン／オフするタイミングは異なっている（詳細については、後述する。）。図３では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン区間をハッチングで示している。
図３に示すように、スイッチング制御回路４は、電力変換回路２から出力される相間電圧が（ｅｔ−ｅｒ）→（ｅｔ−ｅｓ）→（ｅｒ−ｅｓ）→（ｅｒ−ｅｔ）→（ｅｓ−ｅｔ）→（ｅｓ−ｅｒ）→（ｅｔ−ｅｒ）・・・の順に繰り返し変化するように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフの切り替えを繰り返し行う（Ｔ１〜Ｔ６におけるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフの切り替えを繰り返し行う。）。電力変換回路２の出力電圧は、図３に示すＴ１〜次のＴ１までの時間に応じた周波数になる。言い換えれば、スイッチング制御回路４は、電力変換回路２から出力する相間電圧（出力電圧（Ｖｏｕｔ）の周波数に応じて定まる時間に基づいてＴ１〜次のＴ１までの時間（１周期の時間）を定めている。また、Ｔ１〜Ｔ６の各タイミングは、ある程度の時間幅を有する。
Ｔ１〜Ｔ６は、いずれかの双方向スイッチの状態（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン／オフ状態）を変化させるタイミングである。すなわち、Ｔ１〜Ｔ６は、電力変換回路２から出力する相間電圧の組み合わせを切り替えるタイミングであって、時刻ではない。双方向スイッチの状態を保持する時間（Ｔ１−Ｔ２間、Ｔ２−Ｔ３間、Ｔ３−Ｔ４間、Ｔ４−Ｔ５間、Ｔ５−Ｔ６間、Ｔ６−Ｔ１間）は、一定であってもよいし、一定でなくてもよい。図３では、これらの時間を一定にして図示している。
図４は、図２示す区間Ｄにおける電力変換回路の出力電圧の波形を示す図である。この区間Ｄにおける電力変換回路２の出力電圧である相間電圧は、
で表される。
図５は、電力変換回路の出力電圧と、出力電流との関係を示す図である。上述したように、電力変換回路２の出力には、共振回路３が接続されている。このため、電力変換回路２の出力電流（Ｉｏｕｔ）の位相は、図５に示すように電力変換回路２の出力電圧（Ｖｏｕｔ）に対して、位相角θに相当する時間だけ遅れる。
なお、この図５においては、図３と異なり、双方向スイッチの状態を保持する時間（Ｔ１−Ｔ２間、Ｔ２−Ｔ３間、Ｔ３−Ｔ４間、Ｔ４−Ｔ５間、Ｔ５−Ｔ６間、Ｔ６−Ｔ１間）は一定ではない。ただし、図３に示すＴ１〜Ｔ６と、図５に示すＴ１〜Ｔ６と、は対応している。
図６（Ａ）は、電力変換回路の出力側を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の等価回路を示す。共振回路３は、共振状態で使用するので、特性インピーダンスは、
である。また、共振周波数f0は、
である。そして、共振回路３の減衰係数ζは、
である。
共振回路３は、共振周波数f0を電力変換回路２の出力電圧（Ｖｏｕｔ）の周波数と略同じにするので、［数３］で示す共振周波数f0と電力変換回路２の出力電圧（Ｖｏｕｔ）の周波数とが略同じで、［数４］で示す減衰係数ζが小さくなるように、コイルＬ３１、およびコンデンサＣ３１の値を決めればよい。
図５に戻って、電力変換回路２の出力電圧（Ｖｏｕｔ）に対する、電力変換回路２の出力電流（Ｉｏｕｔ）の位相遅れθ、および遅れ時間ｔdelayは、
である。
ここで、電力変換回路２の転流にかかるスイッチング制御回路４による双方向スイッチの状態の切り替え動作について説明する。ここでは、図３、および図５に示したタイミングＴ５における双方向スイッチの状態の切り替え動作を例にして説明する。
このタイミングＴ５では、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２をオン状態からオフ状態に切り替え、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４をオフ状態からオン状態に切り替える。上述したように、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の状態を切り替えるタイミングは同じタイミングではない。
図７、および図８は、電力変換回路の転流動作におけるスイッチング素子の状態変化を示す図である。また、図９は、電力変換回路の転流動作におけるスイッチング素子の状態変化を示すタイムチャートである。スイッチング制御回路４は、以下に示すｔ１、ｔ２、ｔ３、およびｔ４の４つのタイミングで、１つずつスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の状態を切り替える。図３や図５に示したＴ５のタイミングが、ｔ１〜ｔ４の区間に相当する。
図９に示すＶｃｒは、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のコレクタ−エミッタ間に接続されたコンデンサＣ１の両端電圧であり、Ｖｃｓは、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のコレクタ−エミッタ間に接続されたコンデンサＣ２の両端電圧である。また、ＩｒはＲ相を流れる電流であり、Ｉｓは、Ｓ相を流れる電流である。
まず、スイッチング制御回路４は、図３、および図５に示したタイミングＴ５になった直後のタイミングｔ１において、スイッチング素子Ｓ４をオフ状態からオン状態に切り替える。このスイッチング素子Ｓ４の状態の切り替え時には、電流がＳ相を流れていないので（Ｉｓ＝０）、ｔ１におけるスイッチング素子Ｓ４の状態の切り替えがゼロ電流シーケンス（ＺＣＳ）で行われる。すなわち、ｔ１におけるスイッチング素子Ｓ４の状態の切り替えは、ソフトスイッチングで行われる。また、スイッチング素子Ｓ４をオン状態にしたことにより、Ｓ相を流れる電流Ｉｓが増加し、これにともなって、Ｒ相を流れる電流Ｉｒが減少する。また、このタイミングでコンデンサＣ２の放電が開始される。
次に、スイッチング制御回路４は、タイミングｔ２において、スイッチング素子Ｓ２をオン状態からオフ状態に切り替える。このスイッチング素子Ｓ２の状態の切り替え時には、コンデンサＣ１の両端電圧が０Ｖであるので、ｔ２におけるスイッチング素子Ｓ２の状態の切り替えがゼロ電圧シーケンス（ＺＶＳ）で行われる。すなわち、ｔ２におけるスイッチング素子Ｓ２の状態の切り替えは、ソフトスイッチングで行われる。また、スイッチング素子Ｓ２をオフ状態にしたことにより、Ｒ相の電流Ｉｒが０になるとともに、コンデンサＣ１の充電が開始される。
スイッチング制御回路４は、タイミングｔ３において、スイッチング素子Ｓ３をオフ状態からオン状態に切り替える。このスイッチング素子Ｓ３の状態の切り替え時には、コンデンサＣ２の両端電圧が０Ｖであるので、ｔ３におけるスイッチング素子Ｓ３の状態の切り替えがゼロ電圧シーケンス（ＺＶＳ）で行われる。すなわち、ｔ３におけるスイッチング素子Ｓ３の状態の切り替えは、ソフトスイッチングで行われる。
なお、コンデンサＣ１〜Ｃ６の容量は、共振回路３の共振周波数、および負荷回路１０の負荷の大きさに基づいて、ｔ１〜ｔ３までの間に放電を完了し、ｔ２〜ｔ３までの間に充電を完了する大きさに設定している。実際には、コンデンサＣ１〜Ｃ６の容量は、ｔ２〜ｔ３までの間に充放電を完了する大きさに設定している。
スイッチング制御回路４は、タイミングｔ４において、スイッチング素子Ｓ１をオン状態からオフ状態に切り替える。このスイッチング素子Ｓ１の状態の切り替え時には、電流がＲ相を流れていないので（Ｉｒ＝０）、ｔ４におけるスイッチング素子Ｓ４の状態の切り替えがゼロ電流シーケンス（ＺＣＳ）で行われる。すなわち、ｔ４におけるスイッチング素子Ｓ１の状態の切り替えは、ソフトスイッチングで行われる。
このように、電力変換回路２の転流動作にかかるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２の状態の切り替えが、全てソフトスイッチングで行われ、ハードスイッチングで行われることがない。また、スイッチング制御回路４は、ｔ１、ｔ２、ｔ３、およびｔ４の４つのタイミングで、１つずつスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の状態を切り替えることによって、電源短絡の防止、および負荷電流の還流経路の確保を行っている。
また、図７〜図９にかかる説明では、特定のタイミングＴ５における電力変換回路２の転流動作にかかるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２の状態の切り替えを説明したが、他のタイミングＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ６においても、電力変換回路２の転流動作にかかるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２の状態の切り替えが、同様の切り替え手法により、全てソフトスイッチングで行われ、ハードスイッチングで行われることがない。
したがって、スイッチング損失を抑え、変換効率を向上させることができる。また、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２にかかるストレスを低減することができるので、信頼性の向上が図れる。
また、上記の説明では、電力変換回路２の出力を単相の交流電圧としたが、多相の交流電圧にしてもよい。例えば、出力をＵ、Ｖ、Ｗの三相の交流電源にする場合、電力変換回路２に、入力電源である三相交流電源の各相Ｒ、Ｓ、Ｔに接続する双方向スイッチを３つ追加し（電力変換回路２は、合計で９個の双方向スイッチを備える。）、位相を２／３π（１２０°）ずつずらした、相間電圧をＵ、Ｖ、Ｗの三相として出力すればよい。この場合、共振回路３は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に設ける。
１−電力変換装置
２−電力変換回路
３−共振回路
４−スイッチング制御回路
５−トランス
１０−負荷回路
Ｓ１〜Ｓ１２−スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ１２−ダイオード
Ｃ１〜Ｃ６、Ｃ３１−コンデンサ
Ｌ３１−コイル
２−電力変換回路
３−共振回路
４−スイッチング制御回路
５−トランス
１０−負荷回路
Ｓ１〜Ｓ１２−スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ１２−ダイオード
Ｃ１〜Ｃ６、Ｃ３１−コンデンサ
Ｌ３１−コイル
Claims (4)
- 多相交流電源を入力とし、この多相交流電源の相毎に接続される複数の双方向スイッチを有する電力変換回路と、
前記双方向スイッチの状態を制御し、前記電力変換回路から負荷側に出力する相間電圧にかかる前記多相交流電源の２つの相の組み合わせを切り替えるスイッチング制御回路と、
前記電力変換回路の出力側に接続した共振回路と、を備え、
前記スイッチング制御回路は、負荷側に相間電圧を出力する２つの相の組み合わせの切り替え時に、この切り替えにかかる前記双方向スイッチの状態をソフトスイッチングで行い、
前記共振回路の共振周波数は、前記スイッチング制御回路による前記双方向スイッチの状態制御によって前記電力変換回路から負荷側に出力する相間電圧の周波数と同じである、電力変換装置。 - 前記電力変換回路は、前記双方向スイッチに並列に接続したコンデンサを有する、請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記双方向スイッチは、逆並列接続した２つのスイッチング素子を有し、前記コンデンサを前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に接続している、請求項２に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチング制御回路は、負荷側に相間電圧を出力する２つの相の組み合わせの切り替え時に、この切り替えにかかる前記双方向スイッチが有する前記スイッチング素子を順番にソフトスイッチングで状態の切り替えを行う、請求項３に記載の電力変換装置。
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