JPWO2015052743A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この電力変換装置は、交流電源1の電圧を一旦直流電圧に変換し、この直流電圧を再度交流電圧に変換して負荷6に供給する。
制御部は、第1の条件のとき、第1の周波数のキャリア信号を指令する。また、制御部は、第2の条件のとき、第1の周波数よりも高い第2の周波数のキャリア信号を指令する。第1の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも小さいことである。第2の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも大きいことである。そして、制御部は、出力電圧指令と指令されたキャリア信号とに基づいて、インバータを動作させるための制御信号を生成する。
インバータは、制御部で生成された制御信号に基づいて、所定の交流電圧を出力する。この交流電圧は、直流電源の両端電圧および中性点電圧と交流電源の電圧とを用いて、生成される。
双方向スイッチの一端は、第1と第2のスイッチング素子の接続点に接続され、他端は、交流電源の他端と接続される。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、第1と第2のダイオードは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたMOSFETを逆並列に接続して構成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたダイオードを含む構成とすることもできる。
図1は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。図において、1は単相の交流電源である。交流電源1の端子Rと端子Sとの間に、コンデンサ2が接続される。また、30は直流電源、40はインバータ、5はフィルタ、6は負荷、80は制御部である。
直流電源Pspと直流電源Psnからなる直流電源30は、例えば、図7に示したコンバータ3で構成することができる。コンバータ3は、交流電源1の電圧Vrを用いて3レベルの電位を出力する。しかし、直流電源30は、コンバータ3のような回路構成に限られるものではなく、他の方式によって構成された回路であってもよい。
スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Q1,Q2を直列接続した回路である。このスイッチング素子直列回路は、直流電源30の端子Pと端子Nの間に接続される。スイッチング素子Q1,Q2の接続点は、端子Uに接続されている。端子Vは、直流電源30の端子Oに接続されている。
双方向スイッチBS1は、スイッチ素子S1,S2を逆並列接続した回路である。この双方向スイッチBS1は、端子Uと端子Rとの間に接続されている。具体的には、スイッチ素子S1のコレクタ端子側が端子Rに接続される。また、スイッチ素子S1のエミッタ端子側が端子Uに接続される。
具体的には、この電力変換装置は、交流電源1の電圧Vrが出力電圧指令V*よりも小さく、かつ電圧Vrと出力電圧指令V*との差が所定値よりも小さいとき(第1の条件)、第1の周波数で昇圧動作を行う。また、この電力変換装置は、交流電源1の電圧Vrが出力電圧指令V*よりも小さく、かつ電圧Vrと出力電圧指令V*との差が所定値以上のとき(第2の条件)、第2の周波数で昇圧動作を行う。第2の周波数は、第1の周波数よりも高い周波数である。
なお、直送モードを設けない場合は、第1の設定値は、出力電圧指令V*に等しい値となる。
昇圧モードにおいて交流電源1の電圧Vrが0Vまで低下すると、交流電圧Vuと交流電圧Vloadとは、図5に示す波形となる。交流電源1の電圧Vrが0Vであるので、交流電圧Vuは、振幅がVpまたはVnのパルス列からなる電圧である。
上述のとおり、インバータ40は、直送モード、降圧モード、昇圧モードのいずれかのモードで動作する。
インバータ40が直送モードで動作するとき、スイッチング素子Q1,Q2はいずれもオフする。一方、双方向スイッチBS1は双方向に導通可能な状態になる。この場合、交流電源1の電圧Vrが、端子U−V間に出力される。したがって、リアクトルLfに流れる電流Iuは、正弦波状である。この電流Iuには、インバータ40の動作に伴うリプル成分は含まれない。
この場合、端子U−V間には、交流電源1の電圧Vrをパルス幅変調した電圧Vuが出力される。したがって、リアクトルLfに流れる電流Iuには、双方向スイッチBS1のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Scの周波数f1の2倍の周波数である。
この場合、端子U−V間には、交流電源1の電圧Vrと直流電源30の電圧をパルス幅変調した電圧とを交互に選択して得られる電圧Vuが出力される。したがって、リアクトルLfに流れる電流Iuには、スイッチング素子Q1,Q2のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Scの周波数の2倍の周波数である。
このときリアクトルLfに流れるリプル電流(第1のリプル電流)によってリアクトルLfで生じる損失(第1の損失)は、所定値内になるように設定されている。また、リアクトルLfに流れる最大電流の値(第1の最大電流値)は、スイッチング素子Q1,Q2の可制御範囲内になるように設定されている。
上記条件において、インバータ40が昇圧モードで動作すると、リアクトルLfに流れるリプル電流は、上記第1のリプル電流とほぼ同じ値になる。また、リアクトルLfに流れる電流の最大値は、上記第1の最大電流値とほぼ同じになる。
一方、リプル電流の周波数が高くなったことにより、リアクトルLfに生じる損失は、上記第1の損失よりも大きくなる。しかし、リアクトルの熱時定数は交流電源1の瞬時電圧低下時間よりも長いため、熱的な問題は生じない。
また、双方向スイッチBS1を構成する半導体素子は、同様に、炭化ケイ素または窒化ガリウムを材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成しても良い。
このように、図1に示したインバータ回路40のスイッチング素子Q1,Q2と双方向スイッチBS1とを備えて交流電源1の電圧Vrと直流電源30の電圧とを用いて昇圧動作を行う電力変換装置であれば、本発明を適用することができる。
この電力変換装置は、交流電源1の電圧を一旦直流電圧に変換し、この直流電圧を再度交流電圧に変換して負荷6に供給する。
制御部は、第1の条件のとき、第1の周波数のキャリア信号を指令する。また、制御部は、第2の条件のとき、第1の周波数よりも高い第2の周波数のキャリア信号を指令する。第1の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも小さいことである。第2の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも大きいことである。そして、制御部は、出力電圧指令と指令されたキャリア信号とに基づいて、インバータを動作させるための制御信号を生成する。
インバータは、制御部で生成された制御信号に基づいて、所定の交流電圧を出力する。この交流電圧は、直流電源の両端電圧および中性点電圧と交流電源の電圧とを用いて、生成される。
双方向スイッチの一端は、第1と第2のスイッチング素子の接続点に接続され、他端は、交流電源の他端と接続される。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、第1と第2のダイオードは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたMOSFETを逆並列に接続して構成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたダイオードを含む構成とすることもできる。
図1は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。図において、1は単相の交流電源である。交流電源1の端子Rと端子Sとの間に、コンデンサ2が接続される。また、30は直流電源、40はインバータ、5はフィルタ、6は負荷、80は制御部である。
直流電源Pspと直流電源Psnからなる直流電源30は、例えば、図7に示したコンバータ3で構成することができる。コンバータ3は、交流電源1の電圧Vrを用いて3レベルの電位を出力する。しかし、直流電源30は、コンバータ3のような回路構成に限られるものではなく、他の方式によって構成された回路であってもよい。
スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Q1,Q2を直列接続した回路である。このスイッチング素子直列回路は、直流電源30の端子Pと端子Nの間に接続される。スイッチング素子Q1,Q2の接続点は、端子Uに接続されている。端子Vは、直流電源30の端子Oに接続されている。
双方向スイッチBS1は、スイッチ素子S1,S2を逆並列接続した回路である。この双方向スイッチBS1は、端子Uと端子Rとの間に接続されている。具体的には、スイッチ素子S1のコレクタ端子側が端子Rに接続される。また、スイッチ素子S1のエミッタ端子側が端子Uに接続される。
具体的には、この電力変換装置は、交流電源1の電圧Vrが出力電圧指令V*よりも小さく、かつ電圧Vrと出力電圧指令V*との差が所定値よりも小さいとき(第1の条件)、第1の周波数で昇圧動作を行う。また、この電力変換装置は、交流電源1の電圧Vrが出力電圧指令V*よりも小さく、かつ電圧Vrと出力電圧指令V*との差が所定値以上のとき(第2の条件)、第2の周波数で昇圧動作を行う。第2の周波数は、第1の周波数よりも高い周波数である。
なお、直送モードを設けない場合は、第1の設定値は、出力電圧指令V*に等しい値となる。
昇圧モードにおいて交流電源1の電圧Vrが0Vまで低下すると、交流電圧Vuと交流電圧Vloadとは、図5に示す波形となる。交流電源1の電圧Vrが0Vであるので、交流電圧Vuは、振幅がVpまたはVnのパルス列からなる電圧である。
上述のとおり、インバータ40は、直送モード、降圧モード、昇圧モードのいずれかのモードで動作する。
インバータ40が直送モードで動作するとき、スイッチング素子Q1,Q2はいずれもオフする。一方、双方向スイッチBS1は双方向に導通可能な状態になる。この場合、交流電源1の電圧Vrが、端子U−V間に出力される。したがって、リアクトルLfに流れる電流Iuは、正弦波状である。この電流Iuには、インバータ40の動作に伴うリプル成分は含まれない。
この場合、端子U−V間には、交流電源1の電圧Vrをパルス幅変調した電圧Vuが出力される。したがって、リアクトルLfに流れる電流Iuには、双方向スイッチBS1のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Scの周波数f1の2倍の周波数である。
この場合、端子U−V間には、交流電源1の電圧Vrと直流電源30の電圧をパルス幅変調した電圧とを交互に選択して得られる電圧Vuが出力される。したがって、リアクトルLfに流れる電流Iuには、スイッチング素子Q1,Q2のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Scの周波数の2倍の周波数である。
このときリアクトルLfに流れるリプル電流(第1のリプル電流)によってリアクトルLfで生じる損失(第1の損失)は、所定値内になるように設定されている。また、リアクトルLfに流れる最大電流の値(第1の最大電流値)は、スイッチング素子Q1,Q2の可制御範囲内になるように設定されている。
上記条件において、インバータ40が昇圧モードで動作すると、リアクトルLfに流れるリプル電流は、上記第1のリプル電流とほぼ同じ値になる。また、リアクトルLfに流れる電流の最大値は、上記第1の最大電流値とほぼ同じになる。
一方、リプル電流の周波数が高くなったことにより、リアクトルLfに生じる損失は、上記第1の損失よりも大きくなる。しかし、リアクトルの熱時定数は交流電源1の瞬時電圧低下時間よりも長いため、熱的な問題は生じない。
また、双方向スイッチBS1を構成する半導体素子は、同様に、炭化ケイ素または窒化ガリウムを材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成しても良い。
このように、図1に示したインバータ回路40のスイッチング素子Q1,Q2と双方向スイッチBS1とを備えて交流電源1の電圧Vrと直流電源30の電圧とを用いて昇圧動作を行う電力変換装置であれば、本発明を適用することができる。
Claims (11)
- 出力電圧指令に対応する交流電圧を出力する電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、3レベルの電圧を出力する直流電源、前記直流電源の中間電位点に一端が接続される交流電源、前記直流電源の3レベル電圧および前記交流電源の電圧のいずれかを選択して出力するインバータ、前記インバータの出力電圧を平滑するリアクトルおよび前記インバータを前記出力電圧指令にしたがって制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記出力電圧指令に対して前記交流電源の電圧が小さく、かつその差が所定値よりも小さい第1の条件のとき、第1の周波数のキャリア信号を指令し、
前記出力電圧指令に対して前記交流電源の電圧が小さく、かつその差が所定値よりも大きい第2の条件のとき、前記第1の周波数よりも高い第2の周波数のキャリア信号を指令するとともに、
前記出力電圧指令と前記指令されたキャリア信号に基づいて制御信号を生成し、
前記インバータは、前記制御信号にしたがって、前記出力電圧指令に対応する交流電圧を出力する、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記制御部は、少なくとも前記出力電圧指令および前記交流電源の電圧それぞれの実効値に基づいて前記第1の条件と第2の条件とを判断する、ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、少なくとも前記出力電圧指令および前記交流電源の電圧それぞれの瞬時値に基づいて前記第1の条件と第2の条件とを判断する、ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記キャリア信号の第1の周波数と第2の周波数とは、それぞれの周波数でインバータが動作したときに、リアクトルに流れるリプル電流の最大振幅が略同じになる関係に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記キャリア信号の第2の周波数は、前記出力電圧指令と前記交流電源の電圧の差に応じて設定されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記インバータは、前記交流電源の電圧が0Vに低下するまで、動作することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記インバータは、少なくともスイッチング素子直列回路と双方向スイッチとを含み、
スイッチング素子直列回路は、第1のダイオードが逆並列に接続される第1のスイッチング素子と第2のダイオードが逆並列に接続される第2のスイッチング素子とを直列接続してなり、
スイッチング素子直列回路は、前記直流電源の両端に接続され、
双方向スイッチは、一端が前記第1と第2のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1と第2のスイッチング素子は、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたMOSFETであることを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記第1と第2のダイオードは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたMOSFETを逆並列に接続して構成されていることを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたダイオードを含むことを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。
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