JPWO2016152366A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、各々の半導体スイッチング素子にスナバキャパシタを用いて、ソフトスイッチング、即ち、半導体スイッチング素子を電圧ゼロでオン動作させるゼロ電圧スイッチングを実現することで、低損失でDC/DC変換を行う電力変換装置も紹介されている(例えば、非特許文献2参照)。
しかしながら、同じ回路構成であっても、条件によっては、このゼロ電圧スイッチングが実現できない場合があり、確実に低損失でDC/DC変換を実現するという点で十分ではないという課題があった。
前記制御装置は、同一の前記スイッチングレグ内の前記正極側および前記負極側の前記半導体スイッチング素子の同時オン動作による短絡を防止するための短絡防止期間Tdを、前記半導体スイッチング素子を電圧ゼロでオン動作させるゼロ電圧スイッチングを実現するように設定して前記オンオフ制御を行う。前記一次側の変換器の前記短絡防止期間Tdは、前記半導体スイッチング素子のオン動作で当該半導体スイッチング素子に接続された前記スナバキャパシタが短絡される現象を防止するように設定される。前記一次側または前記二次側のいずれかの変換器における前記短絡防止期間Tdは、該変換器が送電動作する際に前記短絡防止期間Tdの開始時点から前記インダクタンス要素に流れる交流電流の極性が反転する迄の時間である電流極性反転時間Tcmttとの関係が、Td≦Tcmttを満足するように設定される。
図1は、この発明の実施の形態1における電力変換装置の全体構成を示す図である。この電力変換装置は、単相フルブリッジ構成の一次側および二次側の2台の変換器1、2および1台の単相変圧器TRを有する主回路と制御装置10とを備え、一次側の直流電圧Vdc1が印加される一次側のキャパシタCdc1の直流電力を、変圧器TRを介して二次側の直流電圧Vdc2が印加される二次側のキャパシタCdc2の直流電力に変換するものである。図1はあくまでも一例であって、半導体スイッチング素子Qからなるブリッジを用いて直流電力を直流電力に変換するものであれば、本願発明の適用範囲のものとなる。
なお、ここでは、半導体スイッチング素子Q(Q11−Q14,Q21−Q24)と還流ダイオードD(D11−D14,D21−D24)とにより、本願請求項1に記載の半導体素子を構成する。
同様に、半導体スイッチング素子Q13、Q14と還流ダイオードD13、D14を用いて、2つ目のスイッチングレグS12を形成し、その両端をキャパシタCdc1に、中間接続点を変圧器TRの一次側の巻線W1の交流端子の他方に接続する。
半導体スイッチング素子Q11、Q14と半導体スイッチング素子Q12、Q13が同時にオンとなることはなく、1周期(360度)に対して理想的には180度ずつオンとオフを行い、半導体スイッチング素子Q11、Q14と半導体スイッチング素子Q12、Q13とは、互いに逆の動作を行う。
そして、半導体スイッチング素子Q21、Q22の両方がオフ(Q23、Q24の両方がオフ)となるデッドタイムTd2を挿入する。
ここで、一次側から二次側に送電される電力Pは、以下の(1)式で表される(例えば、非特許文献1のp.67に記載の(12)式参照)。
図3は、一次側の変換器1(後述するように、ここでは、送電側の変換器になる)のスイッチング動作を示すタイミングチャートで、具体的には、一次側の変換器1のスイッチング状態が変化する場合に注目して、半導体スイッチング素子Q11、Q12、Q13、Q14のスイッチング状態、出力電圧v1、半導体スイッチング素子Q12、Q13の両端の電圧Vce12、Vce13、半導体スイッチング素子Q12、Q13および還流ダイオードD12、D13の電流ic12、ic13(正の場合は半導体スイッチング素子に流れる電流、負の場合は還流ダイオードに流れる電流)、半導体スイッチング素子Q11、Q14の両端の電圧Vce11、Vce14、半導体スイッチング素子Q11、Q14および還流ダイオードD11、D14の電流ic11、ic14(正の場合は半導体スイッチング素子に流れる電流、負の場合は還流ダイオードに流れる電流)、一次側の変換器1の出力電流i1を示している。
そして、図3の現象は、電流の流れる状態を示す図4とともにMODE0からMODE4に分けて説明することができる。なお、図4では、漏れインダクタンスは合算してLsで示し、二次側の変換器2の出力電圧についてはVdc2で模擬している。
なお、電流極性反転時間Tcmttは、先の(1)式に、出力電流がゼロ、従って、電力Pがゼロとなるという条件をあてはめることで、以下に示す(2)式の形で求められる。
例えば、デッドタイムTd1を、送電電力Pが電力変換装置の定格電力である条件で設定すると、設備能力は取り扱う電力が最も大きい運転条件で決定されるため、その条件での損失を低減できる結果、例えば、必要となる冷却器の容量が低減できその小型化が実現する。
図6は、受電側(二次側)の変換器2のスイッチング動作を示すタイミングチャートで、具体的には、二次側の変換器2のスイッチング状態が変化する場合に注目して、半導体スイッチング素子Q21、Q22、Q23、Q24のスイッチング状態、出力電圧v2、半導体スイッチング素子Q22、Q23の両端の電圧Vce22、Vce23、半導体スイッチング素子Q22、Q23および還流ダイオードD22、D23の電流ic22、ic23(正の場合は半導体スイッチング素子に流れる電流、負の場合は還流ダイオードに流れる電流)、半導体スイッチング素子Q21、Q24の両端の電圧Vce21、Vce24、半導体スイッチング素子Q21、Q24および還流ダイオードD21、D24の電流ic21、ic24(正の場合は半導体スイッチング素子に流れる電流、負の場合は還流ダイオードに流れる電流)、二次側の変換器2の出力電流i2を示している。
これにより、送電側の変換器1のデッドタイムを短く、受電側の変換器2のデッドタイムを長く設定することで、半導体素子の信頼性を損なうことなく、ゼロ電圧スイッチングを実現して低損失の電力変換装置を得ることが出来る。
なお、この場合の、本願請求項1に記載する半導体素子に関しては、一次側・送電側の変換器1の半導体素子は、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとで構成し、二次側・受電側の変換器2の半導体素子は、半導体スイッチング素子を含まずダイオードのみで構成するものである。
図8は、この発明の実施の形態2における電力変換装置の全体構成を示す図である。図8に示すように、この電力変換装置は、単相フルブリッジ構成の一次側および二次側の2台の変換器1a、2aおよび1台の単相変圧器TRを有する主回路と制御装置10とを備える。ここでは、図1で説明した各半導体スイッチング素子Q11、Q12、Q13、Q14、Q21、Q22、Q23、Q24および還流ダイオードD11、D12、D13、D14、D21、D22、D23、D24と並列に、スナバキャパシタCs11、Cs12、Cs13、Cs14、Cs21、Cs22、Cs23、Cs24を接続する。
スナバキャパシタを接続することでターンオフ時の電圧変化を緩やかにすることができ、ターンオフ損失やノイズを低減する効果がある。
ターンオフ損失はこの変化時の電圧と電流の積で導出されるので、スナバキャパシタを接続していない場合と比較して、電圧が低い状態で電流が遮断されることによりターンオフ損失を低減することができる。
なお、スナバキャパシタCs11、Cs12、Cs13、Cs14は、後述するMODE3からMODE4での切り替わり時点、すなわち出力電流i1が負から正に切り替わる時点よりも前の時点で、スナバキャパシタCs12、Cs13の充電、およびスナバキャパシタCs11、Cs14の放電が完了するような静電容量を有するものとする。
先の実施の形態1の式(3)のところで説明したと同様、デッドタイムTd1を、送電電力Pが電力変換装置の定格電力である条件で設定すると、例えば、必要となる冷却器の容量を低減できその小型化が実現する。
また、例えば、洋上風力発電等でこの電力変換装置を用いる場合は、平均的には定格値の40%程度の出力が期待できるので、電力変換装置の定格電力の40%の条件でデッドタイムTd1やスナバキャパシタCs11、Cs12、Cs13、Cs14の静電容量を決定すれば送電効率の向上につながる。
ターンオフ損失はこの変化時の電圧と電流の積で導出されるので、スナバキャパシタを接続していない場合と比較して、電圧が低い状態で電流が遮断されることによりターンオフ損失を低減することができる。
また、例えば、洋上風力発電等でこの電力変換装置を用いる場合は、平均的には定格値の40%程度の出力が期待できるので、電力変換装置の定格電力の40%の条件でデッドタイムTd2を決定すれば送電効率の向上につながる。
図16は、この発明の実施の形態3における電力変換装置の全体構成を示す図である。この実施の形態3では、図16に示すように、変換器1b、2bとして三相ブリッジの回路構成を適用する。図1および図8では、半導体スイッチング素子を直列接続したスイッチングレグを2個使用し、変換器1(1a)、2(2a)を単相フルブリッジ回路で構成していたが、この実施の形態3では、スイッチングレグを3個使用し、変換器1b、2bを三相ブリッジ回路で構成する。
更に、三相ブリッジ回路において、この発明の特徴を考慮したデッドタイムを備えることで、さらなる損失低減が可能となり、電力変換装置のさらなる小型化につながる。
また、例えば、洋上風力発電等でこの電力変換装置を用いる場合は、平均的には定格値の40%程度の出力が期待できるので、電力変換装置の定格電力の40%の条件でデッドタイムTd1を決定すれば送電効率の向上につながる。
これにより、送電側の変換器1bのデッドタイムを短く、受電側の変換器2bのデッドタイムを長く設定することで、半導体素子の信頼性を損なうことなく、ゼロ電圧スイッチングを実現して低損失の電力変換装置を得ることが出来る。
また、各変換器1b、2bのデッドタイムTd1、Td2を、各変換器1b、2bのスナバキャパシタの充放電時間Tc1、Tc2以上に設定することで、半導体スイッチング素子のオン動作で当該半導体スイッチング素子に接続されたスナバキャパシタが短絡される現象を確実に防止することができる。
また、例えば、洋上風力発電等でこの電力変換装置を用いる場合は、平均的には定格値の40%程度の出力が期待できるので、電力変換装置の定格電力の40%の条件でデッドタイムTd2を決定すれば送電効率の向上につながる。
図17は、この発明の実施の形態4における電力変換装置の主回路構成を示す図である。この実施の形態4では、実施の形態1〜3のいずれかの電力変換装置の主回路を単位セル3として、その単位セル3を複数台、例えば50台備え、一次側、二次側の直流電圧が印加されるキャパシタCdc1、Cdc2を並列もしくは直列に接続している。
図17で示す例では、実施の形態3による主回路を単位セル3に用い、複数の単位セル3の一次側キャパシタCdc1を並列接続して、二次側キャパシタCdc2を直列接続した構成としている。この場合、三相ブリッジによる変換器1b、2bを用いた例を示しているが、実施の形態1や実施の形態2のように単相ブリッジによる変換器を用いてもよい。
これに加えて、一次側あるいは二次側において、単位セル3のキャパシタCdcを直列接続した側においては、実施の形態1〜3で示した構成よりも高い直流電圧を取り扱うことができる。また、単位セル3のキャパシタCdcを並列接続した側においては、実施の形態1〜3で示した構成よりも大きな直流電流を取り扱うことができる。すなわち、電力変換装置の大電力化が可能となる。
さらには、複数台の単位セル3を同等の構成することにより、電力変換装置の動作試験が簡略化でき、また製造が容易になる。
Claims (15)
- 一次側のキャパシタの両極間に接続され、それぞれスナバキャパシタを並列接続した正極側と負極側の半導体素子を互いに直列に接続してなる一次側のスイッチングレグを複数個備え、前記各一次側のスイッチングレグの中間接続点から引き出された一次側の交流端子と前記一次側のキャパシタとの間で電力変換を行う一次側の変換器と、
二次側のキャパシタの両極間に接続され正極側と負極側の半導体素子を互いに直列に接続してなる二次側のスイッチングレグを複数個備え、前記各二次側のスイッチングレグの中間接続点から引き出された二次側の交流端子と前記二次側のキャパシタとの間で電力変換を行う二次側の変換器と、
前記一次側の交流端子と前記二次側の交流端子との間に接続されたインダクタンス要素と、
前記半導体素子を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御することにより前記一次側のキャパシタと前記二次側のキャパシタとの間で直流電力の送受電を行う制御装置とを備えた電力変換装置において、
前記スナバキャパシタは、前記一次側の変換器が送電動作する際に、前記半導体素子のオンオフ状態の変化に伴う該スナバキャパシタの充放電が完了した後に、前記交流端子を流れる電流の極性が変化するように、静電容量が設定され、
前記制御装置は、同一の前記スイッチングレグ内の前記正極側および前記負極側の前記半導体スイッチング素子の同時オン動作による短絡を防止するための短絡防止期間Tdを、前記半導体スイッチング素子を電圧ゼロでオン動作させるゼロ電圧スイッチングを実現するように設定して前記オンオフ制御を行い、
前記一次側の変換器の前記短絡防止期間Tdは、前記半導体スイッチング素子のオン動作で当該半導体スイッチング素子に接続された前記スナバキャパシタが短絡される現象を防止するように設定され、
前記一次側または前記二次側のいずれかの変換器における前記短絡防止期間Tdは、該変換器が送電動作する際に前記短絡防止期間Tdの開始時点から前記インダクタンス要素に流れる交流電流の極性が反転する迄の時間である電流極性反転時間Tcmttとの関係が、Td≦Tcmttを満足するように設定される、
電力変換装置。 - 前記一次側または前記二次側のいずれか前記送電の平均動作時間が前記受電の平均動作時間より長い変換器を送電側の変換器と称し、該送電側の変換器における前記短絡防止期間Tdが、Td≦Tcmttを満足する、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記インダクタンス要素は、前記一次側の変換器の前記交流端子に接続された一次側の巻線と前記二次側の変換器の前記交流端子に接続された二次側の巻線とを備え、前記一次側の変換器と前記二次側の変換器とを電気的に絶縁する変圧器である、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記インダクタンス要素は、前記一次側の変換器の前記交流端子と前記二次側の変換器の前記交流端子との間に接続されたインダクタンスである、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記一次側または前記二次側のいずれか前記送電の平均動作時間が前記受電の平均動作時間より短い変換器を受電側の変換器と称し、
前記インダクタンス要素は、前記送電側の変換器の前記交流端子に接続された一次側の巻線と前記受電側の変換器の前記交流端子に接続された二次側の巻線とを備え、前記送電側の変換器と前記受電側の変換器とを電気的に絶縁する変圧器であって、
前記制御装置は、前記受電側の変換器の前記短絡防止期間Tdを前記送電側の変換器の前記短絡防止期間Tdより長く設定する、
請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記受電側の変換器に接続された前記巻線の巻数を前記送電側の変換器に接続された前記巻線の巻数より大きくした、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記電流極性反転時間Tcmttは、前記送受電する電力が前記電力変換装置の定格電力である条件で求めた値に設定される、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記電流極性反転時間Tcmttは、前記送受電する電力が前記電力変換装置の定格電力の40%である条件で求めた値に設定される、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記一次側の変換器の前記短絡防止期間Tdは、前記スナバキャパシタの充放電時間Tcとの関係が、Td≧Tcを満足するように設定される、
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記スナバキャパシタの充放電時間Tcは、前記送受電する電力が前記電力変換装置の定格電力である条件で求めた値に設定される、
請求項9に記載の電力変換装置。 - 前記スナバキャパシタの充放電時間Tcは、前記送受電する電力が前記電力変換装置の定格電力の40%である条件で求めた値に設定される、
請求項9に記載の電力変換装置。 - 前記各変換器は、前記スイッチングレグを2個備え、直流電圧と単相交流電圧との間で電力変換を行う単相フルブリッジの構成とした、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記各変換器は、前記スイッチングレグを3個備え、直流電圧と三相交流電圧との間で電力変換を行う三相ブリッジの構成とした、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 複数台の単位セルを備え、該各単位セルが、それぞれ前記一次側の変換器、前記二次側の変換器および前記インダクタンス要素を有し、
前記各単位セルの一次側あるいは二次側の前記キャパシタが直列に接続された、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 複数台の単位セルを備え、該各単位セルが、それぞれ前記一次側の変換器、前記二次側の変換器および前記インダクタンス要素を有し、
前記各単位セルの一次側あるいは二次側の前記キャパシタが並列に接続された、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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