JP6817579B2 - 電力変換回路及び電力伝送システム - Google Patents

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Description

本開示は、電力変換回路と、前記電力変換回路を電力送信装置あるいは電力受信装置として用いて電力線を介して電源から負荷に電力を伝送する電力伝送システムとに関する。
近年、電力会社が提供する火力発電、水力発電あるいは原子力発電等の従来からの電力供給に加え、太陽光発電、風力発電、バイオ燃料発電などに代表される再生可能エネルギー電源の導入が加速している。また、現在敷設されている大規模な商用電力網とは別に、遠距離送電による損失を軽減させることを目的とし、電力の地産地消を実現する局所的な小規模電力網の導入が世界的に広がりつつある。
こうした局所的な小規模電力網に接続される再生可能エネルギー電源は、従来の大規模な商用電力網の基幹電源に比べて発電能力が乏しいことが多く、またその発電能力の変動が大きい。このため、小規模電力網を安定的に、かつ効率的に運用するためには、高い利用効率で送受電できる伝送ルートを選択して電力融通を行うことができる技術が必要となる。
電力線を介して電源から負荷に電力を伝送するための電力変換回路として、例えば特許文献１及び２の発明がある。
特開２０１０−０３５３８７号公報 特開２００５−２１０８９４号公報
電力送信装置と電力受信装置とを備えた電力伝送システムにおいて、電力を符号変調することにより任意の伝送ルートを選択して電力を融通することが知られている。しかしながら、電力送信装置と電力受信装置に多くのスイッチ（半導体スイッチ）が使用され、スイッチを駆動するために必要となる絶縁電源の個数が多いという問題点がある。
例えば特許文献１は、ブートストラップ回路を用いてハイサイド及びローサイドのスイッチを１つの絶縁電源により駆動する回路を開示している。特許文献１の回路に交流電圧が入力される場合、逆極性のスイッチを駆動するために同じブートストラップ回路を用いると、ドライブ回路に過電圧が印加されて壊れてしまうという問題点がある。
また、例えば特許文献２は、トランスを用いてハイサイド及びローサイドのスイッチを１つの絶縁電源により駆動する回路を開示している。特許文献２の回路では、磁気部品であるトランスを用いるので、ドライブ回路が大型化してしまうという問題点がある。
本開示は、従来技術の回路に比較して低コストかつ小型の電力変換回路を提供し、また、そのような電力変換回路を備えた電力伝送システムを提供する。
本開示の一態様に係る電力変換回路は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、第１のアノード及び第１のカソードを含み、前記第１のカソードは前記第１の入力端子に接続される、第１のダイオードと、第２のアノード及び第２のカソードを含み、前記第２のアノードは前記第１の入力端子に接続される、第２のダイオードと、第３のアノード及び第３のカソードを含み、前記第３のカソードは前記第２の入力端子に接続される、第３のダイオードと、第４のアノード及び第４のカソードを含み、前記第４のアノードは前記第２の入力端子に接続される、第４のダイオードと、第５のアノード及び第５のカソードを含み、前記第５のアノードは前記第１の入力端子に接続される、第５のダイオードと、第６のアノード及び第６のカソードを含み、前記第６のカソードは前記第１の入力端子に接続される、第６のダイオードと、第７のアノード及び第７のカソードを含み、前記第７のアノードは前記第２の入力端子に接続される、第７のダイオードと、第８のアノード及び第８のカソードを含み、前記第８のカソードは前記第２の入力端子に接続される、第８のダイオードと、第１の制御端子を含み、前記第１の出力端子及び前記第１のアノードの間に接続される、第１のスイッチと、第２の制御端子を含み、前記第２のカソード及び前記第２の出力端子の間に接続される、第２のスイッチと、第３の制御端子を含み、前記第１の出力端子及び前記第５のカソードの間に接続される、第３のスイッチと、第４の制御端子を含み、前記第６のアノード及び前記第２の出力端子の間に接続される、第４のスイッチと、第１の電圧源を含み、前記第２及び第４の制御端子に接続される第１のブートストラップ回路と、第２の電圧源を含み、前記第１及び第３の制御端子に接続される第２のブートストラップ回路と、を備える。
本開示に係る電力変換回路によれば、従来技術に比較して低コストかつ小型の電力変換回路により、直流あるいは交流の単方向の電力変換を行うことができる。
図１は、実施形態１に係る電力変換回路の構成例を示す回路図である。 図２Ａは、実施形態１に係る第１のブートストラップ回路の構成例を示す回路図である。 図２Ｂは、実施形態１に係る第２のブートストラップ回路の構成例を示す回路図である。 図３は、実施形態１に係る電力変換回路における第１の動作モードの電流経路を示す図である。 図４は、実施形態１に係る電力変換回路における第２の動作モードの電流経路を示す図である。 図５は、実施形態１に係る電力変換回路における第３の動作モードの電流経路を示す図である。 図６は、実施形態１に係る電力変換回路における第４の動作モードの電流経路を示す図である。 図７は、実施形態１に係る電力変換回路と電力負荷との接続例を示す図である。 図８は、実施形態２に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図９は、第１の比較例に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。 図１０は、第１の比較例に係るブートストラップの構成を示す回路図である。 図１１は、第２の比較例に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。 図１２は、第２の比較例に係るインバータ回路の理想的な動作を示す図である。 図１３は、第２の比較例に係るインバータ回路の実際の動作を示す図である。 図１４は、第３の比較例に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。
＜本開示に至った経緯＞
まず、本発明者が本開示に至った経緯を説明する。
図９は、第１の比較例に係る、ポート端子Ｎ１、Ｎ２から入力された直流電力を交流電力に変換してポート端子Ｎ３、Ｎ４から出力するインバータ回路の構成を示す回路図である。図９のインバータ回路は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４と、２つのブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２とを備える。スイッチＳ１〜Ｓ４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。４つのスイッチＳ１〜Ｓ４はブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２によって駆動される。
図１０は、図９のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の構成を示す回路図である。ブートストラップ回路Ｂ１１は、コンデンサＣ２１、Ｃ２２と、ダイオードＤ２１と、スイッチｓｗ２１〜ｓｗ２４とを備える。ブートストラップ回路Ｂ１２は、コンデンサＣ２３、Ｃ２４と、ダイオードＤ２２と、スイッチｓｗ２５〜ｓｗ２８とを備える。ブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の一方に絶縁電源Ｚ１が設けられ、絶縁電源Ｚ１の電圧がコンデンサＣ２１〜Ｃ２４に印加される。端子ａ２１及びａ２２、端子ａ２３及びａ２４、端子ａ２５及びａ２６、端子ａ２７及びａ２８はそれぞれ、ブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の４組の出力端子を構成する。端子ａ２１はスイッチＳ１のゲートに接続され、端子ａ２２はスイッチＳ１のソースに接続される。スイッチｓｗ２１がオンされたとき、コンデンサＣ２１の電圧がスイッチＳ１のゲートに印加される。スイッチｓｗ２２がオンされたとき、スイッチＳ１のゲートがリセットされる。ブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の他の部分も同様にスイッチＳ２〜Ｓ４に接続され、コンデンサＣ２２〜Ｃ２４の電圧がスイッチＳ２〜Ｓ４のゲートに印加される。
図９のインバータ回路は、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４を１つの絶縁電源Ｚ１で駆動する。このため、２組の出力端子を有する第１のブートストラップ回路Ｂ１１により、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第２のブートストラップ回路Ｂ１２により、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４とを駆動する。
図１１は、第２の比較例に係る、ポート端子Ｎ１、Ｎ２とポート端子Ｎ３、Ｎ４との間で双方向に直流電力又は交流電力を変換して伝送するインバータ回路の構成を示す回路図である。図１１のインバータ回路は、８つのダイオードＤ１〜Ｄ８と、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８と、４つのブートストラップ回路Ｂ１１〜Ｂ１４とを備える。スイッチＳ１〜Ｓ８はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。８つのスイッチＳ１〜Ｓ８はブートストラップ回路Ｂ１１〜Ｂ１４によって駆動される。スイッチＳ１、Ｓ５及びダイオードＤ１、Ｄ５は、ポート端子Ｎ１、Ｎ３の間で双方向に電力を伝送するように接続される。スイッチＳ２、Ｓ６及びダイオードＤ２、Ｄ６は、ポート端子Ｎ２、Ｎ３の間で双方向に電力を伝送するように接続される。スイッチＳ３、Ｓ７及びダイオードＤ３、Ｄ７は、ポート端子Ｎ１、Ｎ４の間で双方向に電力を伝送するように接続される。スイッチＳ４、Ｓ８及びダイオードＤ４、Ｄ８は、ポート端子Ｎ２、Ｎ４の間で双方向に電力を伝送するように接続される。これにより、図１１のインバータ回路は、双方向に電力を変換して伝送する。
図１１のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２は、図９のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２と同様に構成される。図１１のブートストラップ回路Ｂ１３、Ｂ１４は、図９のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２と同様に構成され、絶縁電源Ｚ１に代えて絶縁電源Ｚ２を備える。
図１１のインバータ回路は、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８を２つの絶縁電源Ｚ１、Ｚ２で駆動する。このため、２組の出力端子を有する第１のブートストラップ回路Ｂ１１により、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第２のブートストラップ回路Ｂ１２により、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第３のブートストラップ回路Ｂ１３により、第５のスイッチＳ５と第６のスイッチＳ６とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第４のブートストラップ回路Ｂ１４により、第７のスイッチＳ７と第８のスイッチＳ８とを駆動する。
図１２は、図１１のインバータ回路の理想的な動作を示す図である。図１３は、図１１のインバータ回路の実際の動作を示す図である。図１１のインバータ回路のポート端子Ｎ１、Ｎ２から交流電力を入力し、ポート端子Ｎ２の電位を基準としてポート端子Ｎ１に正の電圧が印加されている場合を考える。第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４とがオンされているとき、本来の意図としては、図１２の矢印で示した経路に電流を流したい。しかしながら、図１３に矢印で示した経路にも電流が流れ、ブートストラップ回路Ｂ１４のハイサイド側のコンデンサに入力電圧が印加される。すると、ブートストラップ回路Ｂ１４内に用いられるスイッチの耐圧は一般的に低いので、故障する。
図１４は、第３の比較例に係る、ポート端子Ｎ１、Ｎ２とポート端子Ｎ３、Ｎ４との間で双方向に直流電力又は交流電力を変換して伝送するインバータ回路の構成を示す回路図である。図１４のインバータ回路は、図１３の問題を避けるために、６つの絶縁電源Ｚ１〜Ｚ６を備える。図１４に示すように６つの絶縁電源Ｚ１〜Ｚ６を用いると、本来の意図の通り、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８を駆動することができる。しかしながら、絶縁電源の個数が多いので、電力変換回路が大型化し、コストも増大する。
従って、比較例の回路に比較して低コストかつ小型の電力変換回路が求められる。
本発明者は、以上の着眼点に基づいて、本開示の回路構成を創作するに至った。
以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
本開示において、「第１の」「第２の」などの序数は、時間的又は空間的な順番を記述するためではなく、類似の構成要素を区別するために使用されている。これらの序数は、適宜交換可能である。
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る電力変換回路の構成を示す回路図である。図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ１〜Ｎ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ８と、スイッチＳ１〜Ｓ４と、ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２と、制御回路１０とを備える。
ポート端子Ｎ１、Ｎ２は、それぞれ、本開示における「第１及び第２の入力端子」の一例である。ポート端子Ｎ３、Ｎ４は、それぞれ、本開示における「第１及び第２の出力端子」の一例である。ダイオードＤ１〜Ｄ８は、それぞれ、本開示における「第１から第８のダイオード」の一例である。スイッチＳ１〜Ｓ４は、それぞれ、本開示における「第１から第４のスイッチ」の一例である。ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ、本開示における「第１及び第２のブートストラップ回路」の一例である。
図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ１、Ｎ２からポート端子Ｎ３、Ｎ４に単方向に直流電力又は交流電力を変換して伝送する。ポート端子Ｎ１、Ｎ２は、電力が入力される第１のポートＰ１を構成し、ポート端子Ｎ３、Ｎ４は、電力が出力される第２のポートＰ２を構成する。
スイッチＳ１〜Ｓ４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチＳ１〜Ｓ４は、ドレイン（第１の端子）、ソース（第２の端子）、及びゲート（制御端子）をそれぞれ有する。
ダイオードＤ１のカソードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ３のカソードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ３のアノードはスイッチＳ１を介してポート端子Ｎ３に接続される。スイッチＳ１のソースはダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ３のアノードに接続され、スイッチＳ１のドレインはポート端子Ｎ３に接続される。
ダイオードＤ２のアノードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ４のアノードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ２のカソード及びダイオードＤ４のカソードはスイッチＳ２を介してポート端子Ｎ４に接続される。スイッチＳ２のドレインはダイオードＤ２のカソード及びダイオードＤ４のカソードに接続され、スイッチＳ２のソースはポート端子Ｎ４に接続される。
ダイオードＤ５のアノードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ７のアノードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ５のカソード及びダイオードＤ７のカソードはスイッチＳ３を介してポート端子Ｎ３に接続される。スイッチＳ３のドレインはダイオードＤ５のカソード及びダイオードＤ７のカソードに接続され、スイッチＳ３のソースはポート端子Ｎ３に接続される。
ダイオードＤ６のカソードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ８のカソードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ６のアノード及びダイオードＤ８のアノードはスイッチＳ４を介してポート端子Ｎ４に接続される。スイッチＳ４のソースはダイオードＤ６のアノード及びダイオードＤ８のアノードに接続され、スイッチＳ４のドレインはポート端子Ｎ４に接続される。
スイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれは、オンされたとき、当該スイッチのドレインからソースに電流を流すように接続される。
制御回路１０は、スイッチＳ１〜Ｓ４をそれぞれオン又はオフするための制御信号を生成し、ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２に送る。
ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２は、２組の出力端子をそれぞれ有する。ブートストラップ回路Ｂ１は絶縁電源Ｚ１を備え、制御信号に従って、スイッチＳ２、Ｓ４のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートに所定電圧をそれぞれ印加する。ブートストラップ回路Ｂ２は絶縁電源Ｚ２を備え、制御信号に従って、スイッチＳ１、Ｓ３のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートに所定電圧をそれぞれ印加する。絶縁電源Ｚ１、Ｚ２のそれぞれは、絶縁電源Ｚ１、Ｚ２自体の電力源から電気的に絶縁されている。
図２Ａは、図１のブートストラップ回路Ｂ１の構成を示す回路図である。ブートストラップ回路Ｂ１は、絶縁電源Ｚ１と、コンデンサＣ１、Ｃ２と、スイッチｓｗ１〜ｓｗ４と、ダイオードＤ９とを備える。
絶縁電源Ｚ１は、本開示における「第１の電圧源」の一例である。コンデンサＣ２は、本開示における「第１のコンデンサ」の一例である。ダイオードＤ９は、本開示における「第９のダイオード」の一例である。
スイッチｓｗ１〜ｓｗ４は、制御回路１０からの制御信号に従ってそれぞれオン又はオフする。絶縁電源Ｚ１の負極は、コンデンサＣ１の一端に接続され、また、スイッチＳ４のソースに接続される。コンデンサＣ１には絶縁電源Ｚ１の電圧がそのまま印加され、コンデンサＣ２には、絶縁電源Ｚ１の電圧がダイオードＤ９を介して印加される。ブートストラップ回路Ｂ１は、制御信号に従って、絶縁電源Ｚ１又はコンデンサＣ２の電圧を、スイッチＳ２及びＳ４のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートにそれぞれ印加する。
端子ａ１及びａ２、端子ａ３及びａ４はそれぞれ、ブートストラップ回路Ｂ１の２組の出力端子を構成する。
端子ａ１はスイッチＳ４のゲートに接続され、端子ａ２はスイッチＳ４のソースに接続される。スイッチｓｗ１がオンされたとき、コンデンサＣ１の電圧がスイッチＳ４のゲートに印加される。スイッチｓｗ２がオンされたとき、スイッチＳ４のゲートがリセットされる。
端子ａ３はスイッチＳ２のゲートに接続され、端子ａ４はスイッチＳ２のソースに接続される。スイッチｓｗ３がオンされたとき、コンデンサＣ２の電圧がスイッチＳ２のゲートに印加される。スイッチｓｗ４がオンされたとき、スイッチＳ２のゲートがリセットされる。
図２Ｂは、図１のブートストラップ回路Ｂ２の構成を示す回路図である。ブートストラップ回路Ｂ２は、絶縁電源Ｚ２と、コンデンサＣ３、Ｃ４と、スイッチｓｗ５〜ｓｗ８と、ダイオードＤ１０とを備える。
絶縁電源Ｚ２は、本開示における「第２の電圧源」の一例である。コンデンサＣ４は、本開示における「第２のコンデンサ」の一例である。ダイオードＤ１０は、本開示における「第１０のダイオード」の一例である。
スイッチｓｗ５〜ｓｗ８は、制御回路１０からの制御信号に従ってそれぞれオン又はオフする。絶縁電源Ｚ２の負極は、コンデンサＣ３の一端に接続され、また、スイッチＳ１のソースに接続される。コンデンサＣ３には絶縁電源Ｚ２の電圧がそのまま印加され、コンデンサＣ４には、絶縁電源Ｚ２の電圧がダイオードＤ１０を介して印加される。ブートストラップ回路Ｂ２は、制御信号に従って、絶縁電源Ｚ２又はコンデンサＣ４の電圧を、スイッチＳ１及びＳ３のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートにそれぞれ印加する。
端子ａ５及びａ６、端子ａ７及びａ８はそれぞれ、ブートストラップ回路Ｂ２の２組の出力端子を構成する。
端子ａ５はスイッチＳ１のゲートに接続され、端子ａ６はスイッチＳ１のソースに接続される。スイッチｓｗ５がオンされたとき、コンデンサＣ３の電圧がスイッチＳ１のゲートに印加される。スイッチｓｗ６がオンされたとき、スイッチＳ１のゲートがリセットされる。
端子ａ７はスイッチＳ３のゲートに接続され、端子ａ８はスイッチＳ３のソースに接続される。スイッチｓｗ７がオンされたとき、コンデンサＣ４の電圧がスイッチＳ３のゲートに印加される。スイッチｓｗ８がオンされたとき、スイッチＳ３のゲートがリセットされる。
ブートストラップ回路Ｂ１は、コンデンサＣ１を省略しても、コンデンサＣ１を備えている場合と同様に動作可能である。ブートストラップ回路Ｂ２は、コンデンサＣ３を省略しても、コンデンサＣ３を備えている場合と同様に動作可能である。
次に、図３〜図６を参照して、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの動作について説明する。
図３は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第１の動作モードを示す図である。図４は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第２の動作モードを示す図である。図５は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第３の動作モードを示す図である。図６は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第４の動作モードを示す図である。
制御信号は所定の符号系列である。電力変換回路は、ポート端子Ｎ１、Ｎ２から入力された電力を符号系列に従って符号変調あるいは符号復調し、ポート端子Ｎ３、Ｎ４から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
図３に示す第１の動作モードでは、ポート端子Ｎ１から正の電流が入力されるとき、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４がオンされる。図４に示す第２の動作モードでは、ポート端子Ｎ１から正の電流が入力されるとき、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２がオンされる。図５に示す第３の動作モードでは、ポート端子Ｎ１から負の電流が入力されるとき、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２がオンされる。図６に示す第４の動作モードでは、ポート端子Ｎ１から負の電流が入力されるとき、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４がオンされる。ポート端子Ｎ１から正の電流が入力されるとき、第１のモードと第２のモードとを反復し、ポート端子Ｎ１から負の電流が入力されるとき、第３のモードと第４のモードとを反復する。これにより、図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ３、Ｎ４から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
ブートストラップ回路Ｂ１により複数のスイッチＳ２、Ｓ４を駆動するためには、絶縁電源Ｚ１の負極に直接に接続されたスイッチＳ４のソースと、それ以外のスイッチＳ２のソースとが等電位になる動作モードが必要である。また、ブートストラップ回路Ｂ２により複数のスイッチＳ１、Ｓ３を駆動するためには、絶縁電源Ｚ２の負極に直接に接続されたスイッチＳ１のソースと、それ以外のスイッチＳ３のソースとが等電位になる動作モードが必要である。
図１及び２Ａの例において、スイッチＳ４がオンになると、スイッチＳ２のソースとスイッチＳ４のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ２の一方の端子は、端子ａ４、スイッチＳ２のソースノード、スイッチＳ４、スイッチＳ４のソースノード、及び端子ａ２を介して、絶縁電源Ｚ１の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ２の他方の端子は、ダイオードＤ９を介して、絶縁電源Ｚ１の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ１の電圧がコンデンサＣ２の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ１からコンデンサＣ２に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ３とスイッチｓｗ４は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ３がオンのとき、コンデンサＣ２の電圧が、端子ａ３、ａ４の間に印加され、これにより、スイッチＳ２はオンとなる。スイッチｓｗ４がオンのとき、端子ａ３、ａ４の間が短絡され、これにより、スイッチＳ２はオフとなる。
図１及び２Ｂの例において、スイッチＳ１がオンになると、スイッチＳ１のソースとスイッチＳ３のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ４の一方の端子は、端子ａ８、スイッチＳ３のソースノード、スイッチＳ１、スイッチＳ１のソースノード、及び端子ａ６を介して、絶縁電源Ｚ２の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ４の他方の端子は、ダイオードＤ１０を介して、絶縁電源Ｚ２の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ２の電圧がコンデンサＣ４の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ２からコンデンサＣ４に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ７とスイッチｓｗ８は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ７がオンのとき、コンデンサＣ４の電圧が、端子ａ７、ａ８の間に印加され、これにより、スイッチＳ３はオンとなる。スイッチｓｗ８がオンのとき、端子ａ７、ａ８の間が短絡され、これにより、スイッチＳ３はオフとなる。
スイッチＳ２のソースとスイッチＳ４のドレインとが互いに接続されている。スイッチＳ４がオンであるとき、スイッチＳ２のソースは、スイッチＳ４のソースと等電位になる。従って、スイッチＳ２、Ｓ４は、２組の出力端子を有するブートストラップ回路Ｂ１により駆動することができる。
スイッチＳ１のドレインとスイッチＳ３のソースとが互いに接続されている。スイッチＳ１がオンであるとき、スイッチＳ３のソースは、スイッチＳ１のソースと等電位になる。従って、スイッチＳ１、Ｓ３は、２組の出力端子を有するブートストラップ回路Ｂ２により駆動することができる。
上記に拠れば、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４を２つの絶縁電源Ｚ１、Ｚ２により駆動することができる。絶縁電源の個数が図１４の比較例の場合よりも削減されるので、回路の小型化と低コスト化を実現できる。
上記に拠れば、８つの半導体スイッチと８つのダイオードとにより構成される図１１及び図１４の比較例の電力変換回路に対し、４つの半導体スイッチと８つのダイオードとにより構成できるので、回路の小型化と低コスト化を実現できる。
また、絶縁電源Ｚ２の負極に直接に接続された第１のスイッチＳ１のソースは、第１の入力端子Ｎ１あるいは第２の入力端子Ｎ２に直接に接続されず、第１のダイオードＤ１を介して第１の入力端子Ｎ１に接続され、第３のダイオードＤ３を介して第２の入力端子Ｎ２に接続される。これにより、第１の入力端子Ｎ１と第２の入力端子Ｎ２との間に正の電圧が印加された場合に、ブートストラップ回路Ｂ２に入力電圧が印加されて故障するのを防ぐことができる。同様に、絶縁電源Ｚ１の負極に直接に接続された第４のスイッチＳ４のソースが、第１の入力端子Ｎ１あるいは第２の入力端子Ｎ２に直接に接続されず、第６のダイオードＤ６を介して第１の入力端子Ｎ１に接続され、第８のダイオードＤ８を介して第２の入力端子Ｎ２に接続される。これにより、第１の入力端子Ｎ１と第２の入力端子Ｎ２との間に負の電圧が印加された場合に、ブートストラップ回路Ｂ１に入力電圧が印加されて故障するのを防ぐことができる。
上記で説明した電力変換回路の動作モードには、全てのスイッチがオンあるいはオフとなる動作モード等が加えられてもよい。例えば、全てのスイッチがオンになる動作モードは、電力変換回路に電流型の発電機が接続された場合に、発電機が開放となるのを回避し、急峻な電圧上昇を抑えることができる。また、全てのスイッチがオフになる動作モードは、電力変換回路に電圧型の発電機が接続された場合に、発電機が短絡となるのを回避し、急峻な電流増加を抑えることができる。
スイッチＳ１〜Ｓ４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに代えて、ＩＧＢＴなどのバイポーラトランジスタであってもよい。この場合、本明細書の説明でスイッチの「ドレイン」又は「第１の端子」と述べた箇所は「コレクタ」になり、スイッチの「ソース」又は「第２の端子」と述べた箇所は「エミッタ」になる。
図７は、図１の電力変換回路の接続例を示す図である。図７の電力変換回路Ｍ２は図１の電力変換回路を示す。上記で説明した電力変換回路は、リアクトル及びコンデンサと組み合わせて用いられても良い。例えば、図７に示すように、第２のポートＰ２からリアクトルＬ１０とコンデンサＣ１０を介して電力負荷２に接続すると、出力電流及び出力電圧を平滑化することができる。
実施形態１に係る電力変換回路によれば、従来技術に比較して低コストかつ小型の電力変換回路により、直流電力あるいは交流電力の単方向の電力変換を行うことができる。
＜実施形態２＞
図８は、実施形態２に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。図８の電力伝送システムは、少なくとも１つの電源である発電機１と、少なくとも１つの負荷である電力負荷２と、電力線３と、実施形態１に係る電力変換回路Ｍ１、Ｍ２とを備える。電力線３は、電力を伝送する架線などを含む。電力変換回路Ｍ１は、少なくとも１つの発電機１のうちの指定された１つと電力線３との間に設けられ、少なくとも１つの電力送信装置として用いられる。電力変換回路Ｍ２は、電力線３と少なくとも１つの負荷のうちの指定された１つとの間に設けられ、少なくとも１つの電力受信装置として用いられる。
電力送信装置として用いられる電力変換回路Ｍ１と、電力受信装置として用いられる電力変換回路Ｍ２とに同一の符号系列を与える。電力変換回路Ｍ１は、符号系列に従って、発電機１から入力された電力を符号変調して電力線３に出力し、電力変換回路Ｍ２は、与えられた符号系列に従って、電力線３から入力された電力を符号復調して電力負荷２に出力する。これにより、特定の発電機１から特定の電力負荷２に電力を伝送することができる。従って、電力伝送システムに用いる絶縁電源の個数を削減し、低コストで電力伝送システムを導入することができる。
なお、上記実施形態では、電力変換回路が符号系列に従って電力を符号変調又は符号復調する例について説明されたが、電力変換回路の動作はこれに限定されない。例えば、電力変換回路は、ＰＷＭ信号に従って電力をパルス幅変調してもよい。
＜実施形態の概要＞
第１の態様に係る電力変換回路は、第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、第１〜第８のダイオードと、第１の端子、第２の端子、及び制御端子をそれぞれ有し、制御信号に従ってそれぞれオン又はオフする第１〜第４のスイッチとを備えた電力変換回路であって、前記第１のダイオードのカソードは前記第１の入力端子に接続され、前記第３のダイオードのカソードは前記第２の入力端子に接続され、前記第１のダイオードのアノード及び前記第３のダイオードのアノードは前記第１のスイッチを介して前記第１の出力端子に接続され、前記第２のダイオードのアノードは前記第１の入力端子に接続され、前記第４のダイオードのアノードは前記第２の入力端子に接続され、前記第２のダイオードのカソード及び前記第４のダイオードのカソードは前記第２のスイッチを介して前記第２の出力端子に接続され、前記第５のダイオードのアノードは前記第１の入力端子に接続され、前記第７のダイオードのアノードは前記第２の入力端子に接続され、前記第５のダイオードのカソード及び前記第７のダイオードのカソードは前記第３のスイッチを介して前記第１の出力端子に接続され、前記第６のダイオードのカソードは前記第１の入力端子に接続され、前記第８のダイオードのカソードは前記第２の入力端子に接続され、前記第６のダイオードのアノード及び前記第８のダイオードのアノードは前記第４のスイッチを介して前記第２の出力端子に接続され、前記第１〜第４のスイッチのそれぞれは、オンされたとき、当該スイッチの第１の端子から第２の端子に電流を流すように接続され、前記電力変換回路は、第１の電圧源を備え、前記制御信号に従って前記第２及び第４のスイッチの制御端子に所定電圧をそれぞれ印加する第１のブートストラップ回路と、第２の電圧源を備え、前記制御信号に従って前記第１及び第３のスイッチの制御端子に所定電圧をそれぞれ印加する第２のブートストラップ回路とをさらに備える。
第２の態様に係る電力変換回路は、第１の態様に係る電力変換回路において、前記第４のスイッチの第２の端子は前記第１の電圧源の負極に接続され、前記第１のブートストラップ回路は、前記第１の電圧源の電圧が少なくとも１つの第９のダイオードを介してそれぞれ印加される少なくとも１つの第１のコンデンサを備え、前記第１のブートストラップ回路は、前記制御信号に従って、前記第１の電圧源又は前記第１のコンデンサの電圧を、前記第２及び第４のスイッチの第２の端子の電位を基準として当該スイッチの制御端子にそれぞれ印加し、前記第１のスイッチの第２の端子は前記第２の電圧源の負極に接続され、前記第２のブートストラップ回路は、前記第２の電圧源の電圧が少なくとも１つの第１０のダイオードを介してそれぞれ印加される少なくとも１つの第２のコンデンサを備え、前記第２のブートストラップ回路は、前記制御信号に従って、前記第２の電圧源又は前記第２のコンデンサの電圧を、前記第１及び第３のスイッチの第２の端子の電位を基準として当該スイッチの制御端子にそれぞれ印加する。
第３の態様に係る電力変換回路は、第１又は第２の態様に係る電力変換回路において、前記第１〜第４のスイッチはＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、前記第１の端子はドレインであり、前記第２の端子はソースである。
第４の態様に係る電力変換回路は、第１又は第２の態様に係る電力変換回路において、前記第１〜第４のスイッチはバイポーラトランジスタであり、前記第１の端子はコレクタであり、前記第２の端子はエミッタである。
第５の態様に係る電力変換回路は、第１〜第４のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記第１及び第２の電圧源のそれぞれは絶縁電源である。
第６の態様に係る電力変換回路は、第１〜第５のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記制御信号は所定の符号系列であり、前記第１及び第２の入力端子から入力された電力を前記符号系列に従って符号変調あるいは符号復調し、前記第１及び第２の出力端子から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
第７の態様に係る電力変換回路は、第６の態様に係る電力変換回路において、前記第１及び第２のスイッチがオンの状態と、前記第３及び第４のスイッチがオンの状態とを反復する。
第８の態様に係る電力伝送システムは、少なくとも１つの電源と、少なくとも１つの負荷と、電力線とを備えた電力伝送システムにおいて、前記電力伝送システムは、前記少なくとも１つの電源のうちの指定された１つと前記電力線との間に設けられた、第６又は第７の態様に係る第１の電力変換回路と、前記電力線と前記少なくとも１つの負荷のうちの指定された１つとの間に設けられた、第６又は第７の態様に係る第２の電力変換回路とをさらに備え、前記第１の電力変換回路は、前記符号系列に従って、前記電源から入力された電力を符号変調して前記電力線に出力し、前記第２の電力変換回路は、前記符号系列に従って、前記電力線から入力された電力を符号復調して前記負荷に出力し、これにより、前記指定された電源から前記指定された負荷へ電力を伝送する。
本開示に係る電力変換回路は、交流の電源系統、あるいは直流と交流が混在する電源系統において、電力を変換することに有用である。また、本開示に係る電力伝送システムは、太陽光発電、風力発電、水力発電等の発電機から鉄道、ＥＶ車両等へ電力を伝送することに有用である。
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ
Ｄ１〜Ｄ１０ ダイオード
Ｎ１〜Ｎ４ ポート端子
Ｐ１、Ｐ２ ポート
Ｂ１、Ｂ２ ブートストラップ回路
Ｚ１、Ｚ２ 絶縁電源
１ 発電機
２ 電力負荷
３ 電力線
１０ 制御回路
Ｍ１、Ｍ２ 電力変換回路
Ｌ１０ リアクトル
Ｃ１〜Ｃ４、Ｃ１０ コンデンサ
ｓｗ１〜ｓｗ８ スイッチ
ａ１〜ａ４ 端子

Claims (13)

  1. 第１の入力端子と、
    第２の入力端子と、
    第１の出力端子と、
    第２の出力端子と、
    第１のアノード及び第１のカソードを含み、前記第１のカソードは前記第１の入力端子に接続される、第１のダイオードと、
    第２のアノード及び第２のカソードを含み、前記第２のアノードは前記第１の入力端子に接続される、第２のダイオードと、
    第３のアノード及び第３のカソードを含み、前記第３のカソードは前記第２の入力端子に接続される、第３のダイオードと、
    第４のアノード及び第４のカソードを含み、前記第４のアノードは前記第２の入力端子に接続される、第４のダイオードと、
    第５のアノード及び第５のカソードを含み、前記第５のアノードは前記第１の入力端子に接続される、第５のダイオードと、
    第６のアノード及び第６のカソードを含み、前記第６のカソードは前記第１の入力端子に接続される、第６のダイオードと、
    第７のアノード及び第７のカソードを含み、前記第７のアノードは前記第２の入力端子に接続される、第７のダイオードと、
    第８のアノード及び第８のカソードを含み、前記第８のカソードは前記第２の入力端子に接続される、第８のダイオードと、
    第１の制御端子を含み、前記第１の出力端子及び前記第１のアノードの間に接続される、第１のスイッチと、
    第２の制御端子を含み、前記第２のカソード及び前記第２の出力端子の間に接続される、第２のスイッチと、
    第３の制御端子を含み、前記第１の出力端子及び前記第５のカソードの間に接続される、第３のスイッチと、
    第４の制御端子を含み、前記第６のアノード及び前記第２の出力端子の間に接続される、第４のスイッチと、
    第１の電圧源を含み、前記第２及び第４の制御端子に接続される第１のブートストラップ回路と、
    第２の電圧源を含み、前記第１及び第３の制御端子に接続される第２のブートストラップ回路と、を備える、
    電力変換回路。
  2. 前記第１のブートストラップ回路は、前記第２及び第４の制御端子に第２及び第４の制御電圧をそれぞれ印加することによって、前記第２及び第４のスイッチをオンオフし、
    前記第２のブートストラップ回路は、前記第１及び第３の制御端子に第１及び第３の制御電圧をそれぞれ印加することによって、前記第１及び第３のスイッチをオンオフする、
    請求項１に記載の電力変換回路。
  3. 前記第４のスイッチは、前記第６のアノードと前記第１の電圧源の負極とに接続される端子をさらに含み、
    前記第１のブートストラップ回路は、
    第１のコンデンサと、
    前記第１の電圧源の正極から前記第１のコンデンサを介して前記第１の電圧源の前記負極に至る第１の経路上に配置された第９のダイオードと、を含む、
    請求項２に記載の電力変換回路。
  4. 前記第１の経路は前記第４のスイッチを通り、
    前記第１の電圧源は、前記第４のスイッチがオンのときに、前記第１の経路を介して前記第１のコンデンサに第１の電源電圧を印加する、
    請求項３に記載の電力変換回路。
  5. 前記第２及び第４の制御電圧のそれぞれは、前記第１の電圧源の前記第１の電源電圧、及び前記第１のコンデンサに充電された第１の充電電圧から選択される少なくとも１つから生成される、
    請求項４に記載の電力変換回路。
  6. 前記第１のスイッチは、前記第１のアノードと前記第２の電圧源の負極とに接続される端子をさらに含み、
    前記第２のブートストラップ回路は、
    第２のコンデンサと、
    前記第２の電圧源の正極から前記第２のコンデンサを介して前記第２の電圧源の前記負極に至る第２の経路上に配置された第１０のダイオードと、を含む、
    請求項３から５のいずれか一項に記載の電力変換回路。
  7. 前記第２の経路は前記第１のスイッチを通り、
    前記第２の電圧源は、前記第１のスイッチがオンのときに、前記第２の経路を介して前記第２のコンデンサに第２の電源電圧を印加する、
    請求項６に記載の電力変換回路。
  8. 前記第１及び第３の制御電圧のそれぞれは、前記第２の電圧源の前記第２の電源電圧、及び、前記第２のコンデンサに充電された第２の充電電圧から選択される少なくとも１つから生成される、
    請求項７に記載の電力変換回路。
  9. 前記第１から第４のスイッチのそれぞれは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ又はバイポーラトランジスタである、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換回路。
  10. 前記第１及び第２の電圧源のそれぞれは、絶縁電源である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換回路。
  11. 前記第１から第４の制御電圧は、それぞれ、第１から第４の符号系列に応じて変化し、
    前記第１から第４のスイッチは、前記第１から第４の符号系列に基づいて、前記第１及び第２の入力端子から入力された電力を符号変調又は符号復調し、符号変調又は符号復調された前記電力を前記第１及び第２の出力端子から出力する、
    請求項２に記載の電力変換回路。
  12. 前記第１及び第２のブートストラップ回路は、前記第１及び第２のスイッチがオンであり、かつ、前記第３及び第４のスイッチがオフである第１の状態と、前記第１及び第２のスイッチがオフであり、かつ、前記第３及び第４のスイッチがオンである第２の状態とを切り替える、
    請求項１１に記載の電力変換回路。
  13. 電源と、第１の電力変換回路と、電力伝送路と、第２の電力変換回路と、負荷とを備える電力伝送システムにおいて、
    前記第１及び第２の電力変換回路のそれぞれは、請求項１１又は１２に記載の電力変換回路であり、
    前記第１の電力変換回路は、前記電源から入力された電力を符号変調して前記電力伝送路に出力し、
    前記第２の電力変換回路は、符号変調された前記電力を符号復調して前記負荷に出力する、
    電力伝送システム。
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