JP7192889B2 - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2019年1月22日出願の日本出願第2019-008588号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
前述の特許文献1及び特許文献3の電力変換装置は、交流側の力率が1であれば問題なく動作するが、交流電圧と交流電流との間に位相差がある場合にはフルブリッジ回路の出力を短絡回路により短絡してしまうという問題がある。
本開示によれば、短絡回路を有する電力変換装置において、交流電圧と交流電流との位相差があっても問題なく使用することができ、電力損失が抑制され、出力する交流電流の歪が抑制される。
本開示の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
この場合、交流リアクトルを流れる交流電流に含まれるリプルの振幅によりゼロクロスの近傍で符号が揺れ動くことを考慮して、完全に符号が変わってから制御モードを遷移させることができる。
ダイオードと並列に存在するスイッチがMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である場合に、当該スイッチを閉路することで、ダイオードのみに電流を流す場合よりも導通抵抗及び導通損失を低減することができる。
また、デッドタイムは還流ダイオードに電流が流れる期間内に設けるため、交流電流の歪が抑制される。よって、電流歪を抑制するためのデッドタイム補償を行う必要がない。
この場合、DC/DCコンバータとフルブリッジ回路とで、交流半サイクルごとに、交互にスイッチングの休止期間ができるので、総スイッチング回数の低減により電力損失を低減することができる。
この場合、第1スイッチ及び第4スイッチのペアが閉路のときは、第5スイッチは開路となり、また、第5スイッチが閉路となるときは、第1スイッチ及び第4スイッチのペアは開路である。第2スイッチ及び第3スイッチのペアが閉路のときは、第6スイッチは開路となり、また、第6スイッチが閉路となるときは、第2スイッチ及び第3スイッチのペアは開路である。従って、直流電路の短絡を抑制することができる。
《回路構成》
以下、本開示の一実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。
図1は、HERICの電力変換装置の一例を示す回路図である。図において、直流電源1と商用電力系統2との間に存在する電力変換装置(インバータ)10は、直流側コンデンサCdcと、フルブリッジ回路3と、短絡回路4と、交流リアクトルL1,L2と、交流側コンデンサCaとを備えている。このような電力変換装置10は、直流から交流への変換のほか、交流から直流への変換も行うことができるが、ここでは、直流から交流への変換を想定して説明する。
図2は、交流電路Lacの交流電圧Vと、交流リアクトルL1,L2に流れる交流電流iLとの間に位相差がある場合の波形図の一例である。なお、振幅は簡略化のため、同じレベルにしている。この場合、交流電圧Vと交流電流iLとで、符号(正又は負)が互いに一致する期間と異なる期間とがある。
以下、電力変換装置10の回路の動作と電流の流れ方について説明する。
図3~図10は、図1に、それぞれの場合において電流の流れる経路を太線で付記した図である。なお、電流の向きに関しては、交流リアクトルL1を通って交流電路Lacの方へ流れる電流を正の電流、その逆向きを負の電流とする。閉路(スイッチング動作中の閉路を含む。)又は導通の状態となっている素子の符号に丸印を付している。
まず、図3(正電流の力行)において、第1スイッチS1及び第4スイッチS4のペアが互いに同期してスイッチング動作し、かつ、現時点では閉路している。第2スイッチS2及び第3スイッチS3のペアは開路している。第5スイッチS5は開路し、第6スイッチS6は閉路している。この状態では、直流電路Ldcのプラス側から第1スイッチS1及び交流リアクトルL1を介して交流電路Lacの一線(上)に至る電流経路ができ、また、交流電路Lacの他線(下)から交流リアクトルL2及びスイッチS4を介して直流電路Ldcのマイナス側に至る電流経路ができる。
次に、図5(負電流の力行)において、第5スイッチS5がスイッチング動作し、かつ、現時点では閉路している。第1スイッチS1,第2スイッチS2,第3スイッチS3,第4スイッチS4,及び、第6スイッチS6は開路している。この状態では、交流リアクトルL1から、閉路しているスイッチS5、ダイオードd6、交流リアクトルL2を通る電流経路ができる。
次に、図7(負電流の力行)において、第2スイッチS2及び第3スイッチS3のペアが互いに同期してスイッチング動作し、かつ、現時点では閉路している。第1スイッチS1及び第4スイッチS4のペアは開路している。第5スイッチS5は閉路し、第6スイッチS6は開路している。この状態では、直流電路Ldcのプラス側から第3スイッチS3及び交流リアクトルL2を介して交流電路Lacの他線(下)に至る電流経路ができ、また、交流電路Lacの一線(上)から交流リアクトルL1及びスイッチS2を介して直流電路Ldcのマイナス側に至る電流経路ができる。
次に、図9(正電流の力行)において、第6スイッチS6がスイッチング動作し、かつ、現時点では閉路している。第1スイッチS1,第2スイッチS2,第3スイッチS3,第4スイッチS4,及び、第5スイッチS5は開路している。この状態では、交流リアクトルL2から、閉路しているスイッチS6、ダイオードd5、交流リアクトルL1を通る電流経路ができる。
次に、ゲート信号の生成の第1例について説明する。ゲート信号は4種類あり、第1スイッチS1及び第4スイッチS4のペアを動作させるためのゲート信号G1、第2スイッチS2及び第3スイッチS3のペアを動作させるためのゲート信号G2、第5スイッチS5を動作させるためのゲート信号G5、及び、第6スイッチS6を動作させるためのゲート信号G6である。
このようにして、交流電流に含まれるリプルの振幅によりゼロクロス近傍で電流が不連続になり歪が発生することを抑制できる。
次に、ゲート信号の生成の第2例について説明する。ゲート信号は第1例と同様に4種類ある。
また、ゲート信号G6は、反転した電圧参照値(-Vinv_ref)と搬送波信号とを互いに比較して得られるが、ゲート信号G2とは論理が逆になるように演算される。この結果、ゲート信号G6がスイッチングしている間は、ゲート信号G6は、ゲート信号G2とは相補の関係となる。
このようにして、交流電流に含まれるリプルの振幅によりゼロクロス近傍で電流が不連続になり歪が発生することを抑制できる。
図11は、電力変換装置10に上記第1例のゲート信号を用いて、出力5kVA、力率0.85で直流から交流への変換を行った場合の波形図である。図の上から順に、(a)は交流電路Lacの交流電圧、及び、交流リアクトルL1,L2に流れる交流電流を示す波形図である。太く見える線が交流電流、細く見える線が交流電圧である。
信号の動作を、オン(スイッチ閉路)、オフ(スイッチ開路)、スイッチング動作の3種類で説明すると、ゲート信号G1,G2は、共にオフ(スイッチング動作停止)となる期間を介して、交互にスイッチング動作とオフとを繰り返している。ゲート信号G5,G6は、オン(Hレベル)とオフ(Lレベル)とを交互に繰り返すが、オフからオンするときは初めに一定時間スイッチング動作する。但し、ゲート信号G5のスイッチング動作はゲート信号G1のスイッチング動作と相補的に行われ、ゲート信号G6のスイッチング動作はゲート信号G2のスイッチング動作と相補的に行われる。
(d)は、交流リアクトルL1(又はL2)の両端電圧である。パルス電圧の振幅は直流電路Ldcの電圧である。従って電力損失(主に鉄損)を低減することができる。
(e)は、時間軸(横軸)方向に同じような形を4分割して見ると、一番左及び左から3番目が、第1スイッチS1又は還流ダイオードd1に流れる電流、左から2番目、4番目が第3スイッチS3又は還流ダイオードd3に流れる電流を表している。
(f)は短絡回路4に流れる電流である。歪は抑制されている。
ここまでは、直流電源1が直接、フルブリッジ回路3に接続されている回路構成について説明したが、直流電源1の電圧が交流電圧のピーク値よりも低い場合には、直流電源1とフルブリッジ回路3の間にDC/DCコンバータ(昇圧チョッパ)を置いて、当該DC/DCコンバータにより直流電圧を交流電圧のピーク値以上に昇圧する。このとき、DC/DCコンバータとフルブリッジ回路3とで、スイッチング動作を交互に休止する期間を設ける最小スイッチング変換方式を適用することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 商用電力系統
3 フルブリッジ回路
4 還流回路
5 制御部
6 電圧センサ
7 電流センサ
8 電圧センサ
10 電力変換装置
11 DCバス
12 電圧センサ
13 電圧センサ
20 DC/DCコンバータ
21,22 スイッチ
23 直流リアクトル
30 DC/DCコンバータ
31,32 スイッチ
33 直流リアクトル
40 DC/DCコンバータ
41,42 スイッチ
43 直流リアクトル
51 太陽光発電パネル
52 電流センサ
53 電圧センサ
61 蓄電池
62 電流センサ
63 電圧センサ
71 電解コンデンサ
72 電流センサ
73 電圧センサ
100 電力変換装置
101 直流電源
102 商用電力系統
103 フルブリッジ回路
104 還流回路
Ca 交流側コンデンサ
Cdc 直流側コンデンサ
d1,d2,d3,d4,d5,d6 ダイオード
L1,L2 交流リアクトル
Lac 交流電路
Ldc 直流電路
S1 第1スイッチ
S2 第2スイッチ
S3 第3スイッチ
S4 第4スイッチ
S5 第5スイッチ
S6 第6スイッチ
Claims (6)
- 直流電路と交流電路との間に設けられ、直流から交流又はその逆の変換を行う電力変換装置であって、
第1スイッチ、第2スイッチ、当該第2スイッチと同期して動作する第3スイッチ、及び、前記第1スイッチと同期して動作する第4スイッチによって構成されるフルブリッジ回路と、
前記フルブリッジ回路に付随して設けられ、自己の順方向に電流を流すための還流ダイオードと、
前記フルブリッジ回路と前記交流電路との間に存在する交流リアクトルと、
前記フルブリッジ回路の交流側の2線間に設けられ、当該2線のうちの第1線から第2線への通電経路を開閉する第5スイッチ、前記第2線から前記第1線への通電経路を開閉する第6スイッチ、前記第1線から前記第2線への電流を阻止し、前記第6スイッチと直列に存在するダイオード、及び、前記第2線から前記第1線への電流を阻止し、前記第5スイッチと直列に存在するダイオードを含む短絡回路と、
前記フルブリッジ回路及び前記短絡回路を制御する制御部と、を備え、
前記交流電路の交流電圧と前記交流リアクトルに流れる交流電流との間に位相差がある場合に、前記制御部は、1周期を、前記交流電圧及び前記交流電流が共に正となる第1の期間、前記交流電圧が正及び前記交流電流が負となる第2の期間、前記交流電圧及び前記交流電流が共に負となる第3の期間、並びに、前記交流電圧が負及び前記交流電流が正となる第4の期間の合計4期間に分けて制御を行い、
前記制御部は、
前記第1スイッチ及び前記第4スイッチをスイッチング動作させ、前記第2スイッチ及び前記第3スイッチを開路し、かつ、前記第6スイッチを閉路する第1の制御モードを、前記第1の期間に実行し、
前記第5スイッチにスイッチング動作を行わせつつ前記第6スイッチを開路し、前記第5スイッチが開路しているとき電流を前記還流ダイオードに流す第2の制御モードを、前記第2の期間に実行し、
前記第2スイッチ及び前記第3スイッチをスイッチング動作させ、前記第1スイッチ及び前記第4スイッチを開路し、かつ、前記第5スイッチを閉路する第3の制御モードを、前記第3の期間に実行し、
前記第6スイッチにスイッチング動作を行わせつつ前記第5スイッチを開路し、前記第6スイッチが開路しているとき電流を前記還流ダイオードに流す第4の制御モードを、前記第4の期間に実行する、電力変換装置。 - 前記制御部は、リプルが重畳された前記交流電流がゼロクロスに達した瞬間よりも、前記フルブリッジ回路のスイッチング動作の停止を遅らせるとともに、前記短絡回路においては閉路しているスイッチの開路又はスイッチング動作の停止を遅らせる請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記還流ダイオード及び前記短絡回路内の前記ダイオードの各々に関して、電流が流れる期間の初めと終わりに所定期間のデッドタイムを設けて、当該ダイオードと並列に存在するスイッチを閉路させる請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記フルブリッジ回路の直流側にDC/DCコンバータが設けられ、
前記制御部は、前記DC/DCコンバータの低圧側の直流電圧と、前記フルブリッジ回路の交流側の電圧目標値の絶対値とを互いに比較して、前記直流電圧の方が小さいときは、前記DC/DCコンバータを動作させるとともに前記フルブリッジ回路はスイッチング動作を停止して必要な極性反転のみを行い、一方、前記電圧目標値の絶対値の方が小さいときは、前記DC/DCコンバータのスイッチング動作を停止し、前記フルブリッジ回路をスイッチング動作させる、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
共にスイッチング動作を行う場合の前記第1スイッチと前記第5スイッチとを相補的に閉路させ、
共にスイッチング動作を行う場合の前記第2スイッチと前記第6スイッチとを相補的に閉路させる、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 直流電路と交流電路との間に設けられ、スイッチ及び還流ダイオードによって構成されるフルブリッジ回路と、当該フルブリッジ回路の交流側に接続される短絡回路及び交流リアクトルとを備える電力変換装置を制御対象として、制御部により実行される電力変換装置の制御方法であって、
前記交流電路の交流電圧と前記交流リアクトルに流れる交流電流との間に位相差がある場合に、1周期を、前記交流電圧及び前記交流電流が共に正となる第1の期間、前記交流電圧が正及び前記交流電流が負となる第2の期間、前記交流電圧及び前記交流電流が共に負となる第3の期間、並びに、前記交流電圧が負及び前記交流電流が正となる第4の期間の合計4期間に分けて制御を行い、
前記短絡回路は、前記フルブリッジ回路の交流側の2線間に設けられ、当該2線のうちの第1線から第2線への通電経路を開閉する第5スイッチ、前記第2線から前記第1線への通電経路を開閉する第6スイッチ、前記第1線から前記第2線への電流を阻止し、前記第6スイッチと直列に存在するダイオード、及び、前記第2線から前記第1線への電流を阻止し、前記第5スイッチと直列に存在するダイオードを含み、
前記フルブリッジ回路をスイッチング動作させ正の方向に電流を流す力行期間、及び、前記フルブリッジ回路の全てのスイッチを開路した状態で前記短絡回路に正の方向に電流を流す還流期間を交互に有する制御を、前記第1の期間に実行し、
前記短絡回路の前記第5スイッチにスイッチング動作をさせつつ前記第6スイッチを開路して負の方向に電流を流す力行期間、及び、全てのスイッチを開路した状態における前記フルブリッジ回路の前記還流ダイオードに負の方向に電流を流す還流期間を交互に有する制御を、前記第2の期間に実行し、
前記フルブリッジ回路をスイッチング動作させ負の方向に電流を流す力行期間、及び、前記フルブリッジ回路の全てのスイッチを開路した状態で前記短絡回路に負の方向に電流を流す還流期間を交互に有する制御を、前記第3の期間に実行し、
前記短絡回路の前記第6スイッチにスイッチング動作をさせつつ前記第5スイッチを開路して正の方向に電流を流す力行期間、及び、全てのスイッチを開路した状態における前記フルブリッジ回路の前記還流ダイオードに正の方向に電流を流す還流期間を交互に有する制御を、前記第4の期間に実行する、
電力変換装置の制御方法。
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