TW201517491A - 電源裝置和其運轉方法 - Google Patents

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Abstract

使以單相3線式交流電壓對交流負載進行備 份的待機時損失變小。 具備：在直流端子間連接第1和第2開 關元件的第1開關引腳；在直流端子間連接第3和第4開關元件的第2開關引腳；在直流端子間連接第1和第2電容器的第1電容器引腳；在交流端子間連接第3和第4電容器，並且以中性連接線連接第3、第4電容器之連接點和上述第1、第2電容器之連接點的第2電容器引腳；被連接於第1、第2開關元件之連接點和交流端子之一端之間的第1電感器；被連接於第3、第4開關元件之連接點和交流端子之另一端之間的第2電感器；及控制第1~第4開關元件之導通斷開狀態的控制手段，在交流端子和第3、第4電容器之連接點之間連接交流電源，在直流端子間連接直流電源，控制手段係將第1及上述第2電容器充電成高於交流電源之電壓波高值的電壓。

Description

電源裝置和其運轉方法
本發明係關於在直流和交流之間進行電力轉換之電源裝置和其運轉方法。
近年來，由於地球環保的意識抬頭，開發具備有蓄電池或太陽電池、燃料電池等之直流電源的系統。在該些系統中，需要將以蓄電池或太陽電池、燃料電池等所產生之直流電力轉換成交流電力而供給至負載或商用電源之電源裝置。再者，於從商用電源充電蓄電池之時，需要將商用電源之交流電力轉換成直流電力而供給至蓄電池。
在專利文獻1揭示有單相三線式交流/直流雙向轉換器。該轉換器係以一個電路實現從單相三線式交流電源對電池充電，和藉由電池放電使得朝向單相三線式交流電源的再生，以謀求小型化、低價格化為目的。
其他，在專利文獻2及3揭示有對應於單相三線式之換流器裝置。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2002-78350號公報
[專利文獻2]日本特開2008-289211號公報
[專利文獻3]日本特開平9-140157號公報
使用輸出專利文獻1~3所記載之單相3線式交流電壓的電源裝置，於商用電力系統之停電時對交流負載進行備份之時，為了在商用電力系統之停電時快速地從電源裝置輸出單相3線式交流電壓，必須在對電源裝置隨時輸入直流電壓的狀態下待機。
但是，在該些電源裝置之直流輸入端子間的直流線路間串聯連接兩個電容器，一般而言，電容器流通洩漏電流。再者，有在直流線路間連接控制用之輔助電源的情形。因此，有當在輸入直流電壓之狀態下，電源裝置待機時，消耗掉直流電力。於直流電源為電池之時，電池逐漸被放電之課題。
再者，由於在直流線路間被串聯連接的兩個電容器之個體差，每個零件有洩漏電流值不同之情形。為了快速地輸出單相3線式交流電壓，將並聯連接之兩個電容器之雙方保持在充電的狀態，必須使電容器間之電壓某 程度平衡。但是，具備用以使電壓平衡的電路而進行動作時，有損失變大之課題。
本發明之目的係提供輸出單相3線式交流電壓而對交流負載進行備份之待機時的損失小的電源裝置和其運轉方法。
為了達成上述目的，藉由本發明之電源裝置具備：在直流端子間連接第1開關元件和第2開關元件之串聯電路的第1開關引腳；在直流端子間連接第3開關元件和第4開關元件之串聯電路的第2開關引腳；在直流端子間連接第1電容器和第2電容器之串聯電路的第1電容器引腳；在交流端子間連接第3電容器和第4電容器之串聯電路，並且以中性連接線連接第3、第4電容器之連接點和第1、第2電容器之連接點的第2電容器引腳；被連接於第1、第2開關元件之連接點和交流端子之一端之間的第1電感器；被連接於第3、第4開關元件之連接點和交流端子之另一端之間的第2電感器；及控制第1~第4開關元件之導通斷開狀態的控制手段，在交流端子和第3、第4電容器之連接點之間連接交流電源，在直流端子間連接直流電源，其特徵在於：控制手段使用交流電源之電力，以將第1電容器及上述第2電容器充電成高於交流電源之電壓波高值的電壓之方式，操作上述第1和第2開關引腳之開關元件。
再者，為了達成上述目的，藉由本發明之電源裝置之運轉方法，其電源裝置具備：在直流端子間連接第1開關元件和第2開關元件之串聯電路的第1開關引腳；在直流端子間連接第3開關元件和第4開關元件之串聯電路的第2開關引腳；在直流端子間連接第1電容器和第2電容器之串聯電路的第1電容器引腳；在交流端子間連接第3電容器和第4電容器之串聯電路，並且以中性連接線連接第3、第4電容器之連接點和第1、第2電容器之連接點的第2電容器引腳；被連接於第1、第2開關元件之連接點和交流端子之一端之間的第1電感器；被連接於第3、第4開關元件之連接點和交流端子之另一端之間的第2電感器；及控制第1~第4開關元件之導通斷開狀態的控制手段，在交流端子和第3、第4電容器之連接點之間，交流電源和負載互相被並聯連接，在直流端子間連接直流電源，該電源裝置之運轉方法之特徵在於：在從交流電源對負載供給電力的通常運轉狀態中，控制手段使用交流電源之電力，以將第1電容器及第2電容器充電成高於交流電源之電壓波高值的電壓之方式，操作第1和第2開關引腳之開關元件。
若藉由本發明時，可以提供待機時之損失小，輸出單相3線式交流電壓而對交流負載進行備份之電源裝置和其運轉方法。
Q1~Q6‧‧‧開關元件
D1~D6‧‧‧二極體
C1~C4‧‧‧電容器
L1~L3‧‧‧電感器
Nd1~Nd5‧‧‧節點
LN‧‧‧中性點連接線
RY1、RY2‧‧‧繼電器
1‧‧‧控制裝置
2‧‧‧交流電源
3~5‧‧‧交流負載
6‧‧‧輔助電源
7‧‧‧電池
8、10‧‧‧轉換器
9‧‧‧太陽電池
11~13‧‧‧交流端子
14、15‧‧‧直流端子
圖1為本發明之電源裝置之電路構成圖。
圖2為說明電池充電模式(B)之電路動作的圖示。
圖3為說明電容器充電模式(C)中在正半波的電路動作的圖示。
圖4為說明電容器充電模式(C)中在負半波的電路動作的圖示。
圖5為說明電容器充電模式(C)之各部訊號之變化的圖示。
圖6為說明電容器充電模式(C)之控制裝置之電路構成例的圖示。
圖7為表示交流電源2停電時之電池供電模式(D)中之控制裝置之電路構成例的圖示。
圖8為說明電容器充電模式(C)中之其他運轉態樣之時的各部訊號之變化的圖示。
以下，針對本發明之實施型態，一面參照圖面一面予以詳細說明。
[實施例]
圖1為與本發明之實施例有關之電源裝置之 電路構成圖。該電源裝置100係在被連接於直流端子14、15之直流線路，被連接於交流端子11~13之交流線路之間，進行電力之授受。在直流端子14、15經轉換器8連接有電池7，經轉換器10連接有太陽電池9。在交流端子11~13，經繼電器接點RY1連接有交流電源2，經繼電器接點RY2連接有交流負載3~5。
交流電源2為單相3線式，可以2系統供給100V，以1系統供給200V。並且，作為100V系之電壓，廣泛使用85V~132V程度，作為200V系之電壓廣泛使用170V~265V程度之電壓。在本實施例中，假設以100V系之負載作為交流負載3、4，假設以200系之負載作為交流負載5。
該電源裝置100具備以節點Nd1串聯連接開關元件Q1、Q2之第1開關引腳，和以節點Nd2串聯連接開關元件Q3、Q4之第2開關引腳，和以節點Nd3串聯連接電容器C1、C2之第1電容器引腳，和以節點Nd4串聯連接電容器C3、C4之第2電容器引腳，和以節點Nd5串聯連接開關元件Q5、Q6之第3開關引腳。
該些第1~第3開關引腳和第1電容器引腳被並聯連接。電容器C1、C2連接電容器C1之負極和電容器C2之正極。在第2電容器引腳之一端(電容器C3)和節點Nd1之間連接電感器L1，在第2電容器引腳之另一端(電容器C4)和節點Nd2之間連接電感器L2，在節點Nd3和節點Nd5之間連接有電感器L3。再者，節點Nd3 和節點Nd4係以中性連接線LN連接。
在開關元件Q1~Q6分別逆並聯連接有二極體D1~D6。但是，於使用MOSFET當作開關元件Q1~Q6之時，因可以利用MOSFET之寄生二極體，固可省略二極體D1~D6。
將電容器C1之正極連接於直流端子14，並將電容器C2之負極連接於直流端子15。電容器C1之電壓V1係將電容器C1之正極設為正，將電容器C2之電壓V2係將電容器C2之正極設為正。
將電感器L1和電容器C3之連接點設為交流端子11，將電感器L2和電容器C4之連接點設為交流端子12，並將電容器C3、C4之連接點設為交流端子13。將交流端子11-13間即是電容器C3之兩端間設為a相，將交流端子13-12間即是電容器C4之兩端間設為b相，將交流端子11-12間即是第2電容器引腳之兩端間設為ab相。再者，將交流端子11對交流端子13之電壓定義成a相電壓Va，將交流端子13對交流端子12之電壓定義成b相電壓Vb，將交流端子11對交流端子12之電壓定義成ab相電壓Vab，將該些a相電壓Va、b相電壓Vb、ab相電壓Vab總稱為相電壓。
中性點連接線LN之電流In係將從節點Nd3流至節點Nd4之方向設為正，電感器L1之電流Ia係將交流端子11流至電感器L1之方向設為正，電感器L2之電流Ib係將從電感器L2流至交流端子12之方向設為正。
電池7係經轉換器8而與第1電容器引腳並聯連接，太陽電池9係經轉換器10而與第1電容器引腳並聯連接。在交流端子11~13經繼電器接點RY1而以交流端子13被連接於單相3線式之中性線之方式，連接有交流電源2。再者，交流負載3、4、5係經繼電器接點RY2而分別被連接於a相、b相、ab相。
開關元件Q1~Q6、繼電器接點RY1、RY2藉由控制裝置1控制接通斷開。在直流端子14、15間連接有對控制裝置1供給電力的輔助電源6。
電容器C1、C2係對直流端子14、15間之電壓進行分壓，並在Nd3生成直流端子14、15間之電壓的中間性電壓。開關元件Q5、Q6、電感器L3係藉由控制開關元件Q5、Q6，使電容器C1、C2之電壓分擔平衡。在本實施例中，將轉換器8、10與第1電容器引腳並聯連接以作為直流電源，但是即使並聯連接於電容器C1、C2之單方或雙方亦可。
如上述說明般構成之圖1之電源裝置100如下述般被運用。在該運用中，經從交流電源2供電至交流負載3-5之商用供電模式(A)、於商用供電模式時電池7非滿充電狀態之時的電池充電模式(B)、商用供電模式時電池充電完成後之電容器充電模式(C)、交流電源2停電時之電池供電模式(D)，於交流電源2回復後再次到商用供電模式(A)。
本發明係在上述一連串之處理中於商用供電 模式時進行電池充電完成後之電容器充電模式具有特徵，在以下之說明中，隨著上述運用程序，依序說明。
商用供電模式(A)
商用供電模式係在圖1中，使繼電器接點RY1、RY2成為接通狀態，並將交流電源2之電力供給至交流負載3~5。
於商用供電模式時電池7非滿充電狀態之時的電池充電模式(B)，於商用供電模式時電池7非滿充電狀態之時，將交流電源2之電力轉換成直流而輸出至直流端子14、15，使轉換器8動作而對電池7進行充電。此時，因電池7之電源為電容器C1、C2，故在此針對從交流電源2對電容器C1、C2進行充電之充電動作進行說明。充電動作係輸入AC100/200V，而對電容器C1、C2進行充電。
使用圖2，說明從電容器C3、C4對電容器C1、C2供給電力，並從a相和b相之雙方輸入AC100V，並且依此從ab相輸入AC200V之充電動作。但是，在此僅針對交流電壓為正的半周期進行說明。
在該充電動作中，使開關元件Q1~Q4動作成下述般。開關動作係交互實行將第1開關引腳SL1之負端子側開關元件Q2和第2開關引腳SL2之正端子側開關元件Q3設為接通狀態，其他設為斷開狀態模式B1，和將第1開關引腳SL1之正端子側開關元件Q1和第2開關引腳 SL2之負端子側開關元件Q4設為接通狀態，其他設為斷開狀態模式B2。圖2左表示在模式B1中，圖2右表示在模式B2中的電路構成、電流方向等。
在模式B1中開關元件Q2為接通狀態，電容器C3之電壓經電容器C2而被施加至電感器L1。再者，開關元件Q3為接通狀態，電容器C4之電壓經電容器C1而被施加至電感器L2。電容器C3、C4之能量被蓄積於電感器L1、L2。
在模式B2中，當關閉開關元件Q2時，在開關元件Q2流通之電感器L1之電流，換向至二極體D1，被供給至電容器C1。此時，開啟開關元件Q1。再者，當關閉開關元件Q3時，在開關元件Q3流通之電感器L2之電流，換向至二極體D4，被供給至電容器C2。此時，開啟開關元件Q4。電感器L1、L2之電流隨著時間經過而減少。
藉由持續實行上述模式B1和模式B2之間的切換動作，從電容器C3、C4對電容器C1、C2供給電力。並且，針對使轉換器8動作而進行對電池7充電的動作，在此省略說明。此時在a相和b相之雙方施加AC100V，並且在ab相施加AC200V。
於商用供電模式時電池充電完成後之電容器充電模式(C)
若電池7之充電完成，備用於交流電源2之停電等， 使用交流電源2之電力而先對電容器C1、C2進行充電。該充電模式係為了於交流電源2之停止之後可以快速地移行至電池供電模式而進行。
為了使交流負載3~5無停電化，從該商用供電模式切換至電池供電模式時，必須從電源裝置100快速地輸出交流電壓。但是，該電源裝置100僅可輸出電容器C1、C2之電壓以下之電壓，作為a相電壓Va、b相電壓Vb。因此，在商用供電模式之待機時，必須先將電容器C1、C2充電至高於所輸出之a相電壓Va、b相電壓Vb之波高值的電壓。該狀態為電容器充電模式(C)。本發明在該電容器充電模式(C)具有特徵。
然而，作為用以將電容C1、C2先充電成高於所輸出之a相電壓Va、b相電壓Vb之波高值的電壓之電源，可利用電池7。但是，因電容器C1、C2之洩漏電流或藉由輔助電源6消耗掉電力，故當一面經轉換器8而從電池7對電容器C1、C2進行充電，一面待機時，電池7逐漸地被放電。
再者，由於個體差使得電容器C1和C2之洩漏電流值不同之時，有兩電容器間之電壓成為不平衡之情形。但是，為了使該電壓平衡，當使開關元件Q5、Q6動作時，不管待機充電電容器C1、C2所需之電力較小，損傷也變大。
在此，在本實施例之電源裝置100中，在商用供電模式之待機時，使用交流電源2之動力，將電容器 C1、C2充電成高於a相電壓Va、b相電壓Vb之波高值的電壓。依此，不對電池7放電，維持電容器C1、C2之充電狀態，於停電等之系統異常時可以快速地輸出交流電壓而對交流負載3~5進行備份。
並且，在該電源裝置100中，僅使開關元件Q1~Q6中，開關元件Q1和Q2動作，使開關元件Q3~Q6停止，邊使電容器C1和C2之電壓，邊進行充電。依此，因進行開關動作之開關元件比較少為兩個，且無須使用以使電容器C1和C2之電壓平衡之開關元件Q5、Q6動作，故可以降低開關損失或電感器L3之鐵損。
以下，說明藉由控制開關元件Q1、Q2，從被連接於電容器C3之兩端的交流電源2之a相輸入電力，邊使電容器C1和C2之電壓平衡，邊進行充電的動作。並且，於從被連接於電容器C4之兩端的交流電源2之b相輸入電力之時，若控制開關元件Q3、Q4即可。在此，開關元件Q3~Q6固定在斷開狀態。
在電容器充電模式(C)中，進行交流電源2之電壓在交流之正的半周期和負的半周期不同的動作。以圖3、圖4說明各個動作。
首先，使用圖3，說明交流電源2之電壓在交流之正的半周期，即是a相電壓Va為正的期間之電路動作。在圖3中，C11、C12分別表示下臂導通模式C11、上臂導通模式C12中之電路動作。並且，該動作雖然使用第1開關引腳(開關元件Q1、Q2)而實行，但是即使使 用第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)來進行亦可。但是，於使用第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)時，成為從b相輸入電力之動作。
下臂導通模式C11：
第1開關引腳之開關元件Q2為接通狀態，開關元件Q1為斷開狀態，第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)中之任一者成為斷開狀態。此時，形成電容器C3-電感器L1-開關元件Q2-電容器C2-中性點連接線LN-電容器C3的電路。此時，a相電壓Va經電容器C2被施加至電感器L1，電感器L1之電流Ia增加。
上臂導通模式C12：
第1開關引腳之開關元件Q1為接通狀態，開關元件Q2為斷開狀態，第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)中之任一者成為斷開狀態。此時，形成電容器C3-電感器L1-開關元件Q1-電容器C1-中性點連接線LN-電容器C3的電路。並且，在形成該電路之過渡狀態中，首先當關閉開關元件Q2時，在開關元件Q2流通之電感器L1之電流換向至與開關元件Q1並聯配置之二極體D1，並流至電容器C1。此時，關閉開關元件Q1。電感器L1之電流Ia減少。
之後，關閉開關元件Q1，當開啟開關元件Q2時，返回至模式C11。模式C11和模式C12之切換係藉由 控制裝置1之輸出而重覆被實行。並且，在控制裝置1內，藉由使用電壓指令訊號和例如使用三角波之PWM控制，控制開關元件Q1、Q2之點弧時點及點弧期間。
接著，使用圖4，說明交流電源2之電壓在交流之負的半周期，即是a相電壓Va為負的期間之電路動作。在圖4中，C21、C22分別表示上臂導通模式C21、下臂導通模式C22中之電路動作。並且，該動作雖然使用第1開關引腳(開關元件Q1、Q2)而實行，但是即使使用第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)來進行亦可。但是，於使用第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)時，成為從b相輸入電力之動作。
上臂導通模式C21：
第1開關引腳之開關元件Q1為接通狀態，開關元件Q2為斷開狀態，第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)中之任一者成為斷開狀態。此時，形成電容器C3-中性點連接LN-電容器C1-開關元件Q1-電感器L1-電容器C3的電路。此時，a相電壓Va經電容器C1被施加至電感器L1，電感器L1之電流Ia在負的方向增加。
下臂導通模式C22：
第1開關引腳之開關元件Q2為接通狀態，開關元件Q1為斷開狀態，第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)中之任一者成為斷開狀態。此時，形成電容器C3-中性點連接 LN-電容器C2-開關元件Q2-電感器L1-電容器C3的電路。並且，在形成該電路之過渡狀態中，首先當關閉開關元件Q1時，在開關元件Q1流通之電感器L1之電流換向至與開關元件Q2並聯配置之二極體D2，並流至電容器C2。此時，開啟開關元件Q2。電感器L1之電流Ia在正的方向減少。
之後，關閉開關元件Q2，當開啟開關元件Q1時，返回至模式C21。模式C21和模式C22之切換係藉由控制裝置1之輸出而重覆被實行。
在以上之動作中，將第2開關引腳(開關元件Q3、Q4)固定在斷開狀態，因電感器L2之電流Ib不流動，故中性點連接線LN之電流In與電感器L1之電流Ia相等。若藉由上述控制，可以調整模式C11之期間之長度和模式C12之期間的長度之比率，而控制中性點連接線LN之電流In流至正的方向之時之電流值，調整模式C21之期間之長度和模式C22之期間之長度的比率而控制中性點連接線LN之電流In流至負的方向之時的電流值。
圖5為說明電容器充電模式(C)之各部訊號之變化。在此，表示交流端子電壓Va、Vb；電感器L1、L2之電流Ia、Ib、中性點連接線LN之電流In、電容器C1、C2之電壓V1、V2之時間變化。但是，在時刻t1以前之狀態，成為電容器C1、C2之電壓V1、V2不同之電壓值。再者，在交流端子電壓Va、Vb之正的半波之期間，實行模式C11、C12之重覆控制，在交流端子電壓 Va、Vb之負的半波之期間，實行模式C21、C22之重覆控制。
使用圖5，說明本實施例之電源裝置之動作順序。當a相電壓Va和電感器L1之電流Ia之相位接近時，從交流電源2之a相輸入電力。在此，僅開關元件Q1、Q2進行開關動作，因使開關元件Q3、Q4固定於斷開狀態，故中性點連接線LN之電流In與電感器L1之電流Ia相等。
在如此之狀態下，於電容器C1之電壓V1低於電容器C2之電壓V2之時(時刻t1之前的狀態)，在時刻t1之後使中性點連接線LN之電流In之正的波高值Inp大於負的波高值Inn，增加電容器C1之充電電流量。另外，於電容器C2之電壓V2低於電容器C1之電壓V1之時，使中性點連接線LN之電流In之負的波高值Inn大於正的波高值Inp，並使電容器C2之充電電流量增加。藉由該電壓平衡控制，減少電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之差，並使兩電容器之電壓V1和V2平衡。
在圖5中，雖然電容器C1之電壓V1低於電容器C2之電壓V2，但是當在時刻t1使電壓平衡控制成為有效時，中性點連接線LN之電流In之正的波高值大於負的波高值，電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之差減少。
並且，在圖5中，實際上，有在電感器L1之 電流Ia、中性點連接線LN之電流In、電容器C1之電壓V1、電容器C2之電壓V2重疊漣波之情形。再者，雖然控制裝置1具備功率改善控制，但實際上有由於控制延遲等產生a相電壓Va和電感器L1之電流Ia之方向相反之期間的情形。
再者，在本實施例中，在直流端子14、15間經轉換器8而連接有電池7，但是即使在直流端子14、15間直接連接電池而以比較小的電流進行充電之時也可以適用本發明。
圖6表示電容器充電模式(C)中之控制裝置1之電路構成例。在此，達成將電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之平衡控制及電壓V1、V2維持在交流電壓Va以上之功能。並且，該功能即使在該電路構成以外亦可實現，在此表示其一例。電容器充電模式(C)中之控制裝置1藉由例如電壓控制部21、功率改善控制部22、平衡控制部23、電流控制部24所構成。
其中，在電壓控制部21中，供給控制訊號Iref1，使電容器C1和C2之合計電壓(V1+V2)成為電壓目標值Vref。即是，於合計電壓(V1+V2)低於電壓目標值Vref之時，增加控制訊號Iref1，於合計電壓(V1+V2)高於電壓目標值Vref之時，減少控制訊號Iref1。並且，在本發明中，電壓目標值Vref設定成高於交流電壓Va之波高值和交流電壓Vb之波高值之合計電壓的值。依此，於商用電源停止之後，可以快速地實現從 電源裝置100的供電。
供率改善控制部22係振幅與控制訊號Iref1呈比例，並且生成相位與交流電壓Va相等之正弦波狀之控制訊號Iref2。
平衡控制部23係以電容器電壓V1和V2相等之方式，V1低於V2之時，生成使正的波高值Inp高於負的波高值Inn之電流目標值Iref3，並於V2低於V1之時，生成使負的波高值Inn高於正的波高值Inp之電流目標值Iref3。
電流控制部24係以電感器L1之電流Ia成為電流目標值Iref3之方式，電感器L1之電流Ia小於電流目標值Iref3之時，增加點弧訊號duty，並於電感器L1之電流Ia大於電流目標值Iref3之時，減少點弧訊號duty。
在交流電壓Va為正的期間，藉由點弧訊號duty之增加，使模式C11之期間增加，並使模式C12之期間減少。在交流電壓Va為負的期間，藉由點弧訊號duty之增加，使模式C22之期間增加，並使模式C21之期間減少。
交流電源2停電時之電池供電模式(D)
當檢測出交流電源2之停電之系統異常時，使繼電器接點RY1斷開而移行至電池供電模式，並將輸入至直流端子14、15之直流電力轉換成交流而供給至交流負載3 ~5。就以放電動作而言，使用圖7說明用以輸出AC100V/AC200V之動作。在此，說明從電容器C1、C2對電容器C3、C4供給電力，並對a相和b相之雙方輸出AC100V，並且藉由此對ab相輸出AC200V的放電動作。但是，在此僅針對交流電壓為正的半周期進行說明。
在該充電動作中，使開關元件Q1~Q4動作成下述般。開關動作係交互實行將第1開關引腳SL1之正端子側開關元件Q1和第2開關引腳SL2之負端子側開關元件Q4設為接通狀態，其他設為斷開狀態模式D1，和將第1開關引腳SL1之負端子側開關元件Q2和第2開關引腳SL2之正端子側開關元件Q3設為接通狀態，其他設為斷開狀態模式D2。圖7左表示在模式D1中，圖7右表示在模式D2中的電路構成、電流方向等。
在模式D1中，開關元件Q1為接通狀態，電容器C1之電壓被施加至電感器L1、電容器C3。再者，開關元件Q4為接通狀態，電容器C2之電壓被施加至電感器L2、電容器C4。電感器L1、L2之電流隨著時間經過增加，該電流被供給至電容器C3、C4。
當從模式D1移至模式D2，關閉開關元件Q1時，在開關元件Q1流通之電感器L1之電流轉向至二極體D2，經電容器C2回流。此時，開啟開關元件Q2。
再者，當關閉開關元件Q4時，在開關元件Q4流通之電感器L2之電流，換向至二極體D3，並經電容器C1而回流。此時，開啟開關元件Q3。電感器L1、 L2之電流隨著時間經過增加，該電流被供給至電容器C3、C4。
之後，關閉開關元件Q2、Q3，當開啟開關元件Q1、Q4時，返回至模式D1。
藉由持續實行以上之模式D1和模式D2之間的切換動作，從電容器C1、C2對電容器C3、C4供給電力，並對a相和b相之雙方輸出AC100V，並且藉由此可以對ab相輸出AC200V。
並且，若藉由圖1之電路構成時，在上述之運用之外，可設成下述運轉態樣，因應所需而可以適當實行。此時，運轉模式可以依電力之轉換方向分成兩個模式(DC-AC模式、AC-DC模式)而與以掌握。並且，DC-AC模式可以藉由被電力供給的AC側之電路，而分成DC-AC模式1和DC-AC模式2。
在DC-AC模式中，於將輸入至直流端子14、15間之直流電力轉換成交流而供給至交流電源2之DC-AC模式1之時，使繼電器接點RY1成為接通狀態，控制開關元件Q1、Q2而使電流Ia流至電感器L1，並控制開關元件Q3、Q4而使電流Ib流至電感器L2。
DC-AC模式中，將輸入至直流端子14、15之直流電力轉換成交流而供給至交流負載3~5之DC-AC模式2之時，使繼電器接點RY1成為斷開狀態，並使繼電器接點RY2成為接通狀態，控制開關元件Q1、Q2而生成a相電壓Va，並控制開關元件Q3、Q4而生成b相電壓 Vb。
將輸入至交流端子11~13之交流電源2之電力轉換成直流而輸出至直流端子14、15間的AC-DC模式之時，使繼電器接點RY1成為接通狀態，控制開關元件Q1、Q2而使電流Ia流至電感器L1，並控制開關元件Q3、Q4而使電流Ib流至電感器L2，並將交流電源2輸入之電流控制成正弦波狀而使功率變高。控制裝置1具備該功率改善控制功能。
並且，在本發明中，電源裝置100之構成以圖1，可以如圖8般地運用。在圖8中，表示交流端子電壓Va、Vb、電感器L1、L2之電流Ia、Ib、中性點連接線LN之電流In、電容器C1、C2之電壓V1、V2之時間變化。
在圖8所示之動作順序中，為了更降低電容器充電模式(C)中之損失，藉由實施間歇控制而重覆啟動和停止，設置休止期間。在此，於電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之雙方為臨界值Vth1以上之時，停止開關動作，電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之至少一方為臨界值Vth2以下之時，再啟動開關動作。
在圖8中，於期間T1，藉由因輔助電源6所引起的電力消耗，或電容器C1、C2之洩漏電流，電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2逐漸地下降。於電容器C1之靜電電容小於電容器C2之靜電電容時，電容 器C1之洩漏電流大於電容器C2之洩漏電流之時，電容器C1之電壓V1較電容器C2之電壓V2快速下降。
當電容器C1之電壓V1到達至臨界值Vth2時，再啟動開關動作而成為期間T2之狀態。電容器C1、C2被充電，電容器C1之電壓V1、電容器C2之電壓V2上升。此時，與圖5所示之動作順序相同，因電容器C1之電壓V1低於電容器C2之電壓V2，故中性點連接線LN之電流In之正的波高值大於負的波高值，且電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之差減少。
當電容器C1之電壓V1和電容器C2之電壓V2之雙方成為臨界值Vth1以上時，停止開關動作而返回至期間T1之狀態。
以上，說明本發明之實施例。在該些實施例中，雖然為了快速輸出交流電壓，對電容器C1、C2進行待機充電，但是本發明之動作方法即使適用於以比較小的電流對電池7進行充電之時，藉由停止開關元件Q5、Q6亦可以取得降低損失的優點。如此一來，本發明亦可廣泛地適用於在單相3線式交流線路和直流線路之間進行雙向電力轉換的電源裝置。
Q1~Q6‧‧‧開關元件
D1~D6‧‧‧二極體
C1~C4‧‧‧電容器
L1~L3‧‧‧電感器
Nd1~Nd5‧‧‧節點
LN‧‧‧中性點連接線
RY1、RY2‧‧‧繼電器
1‧‧‧控制裝置
2‧‧‧交流電源
3~5‧‧‧交流負載
6‧‧‧輔助電源
7‧‧‧電池
8、10‧‧‧轉換器
9‧‧‧太陽電池
11~13‧‧‧交流端子
14、15‧‧‧直流端子
100‧‧‧電源裝置
V1、V2‧‧‧電壓
Va‧‧‧a相電壓
Vb‧‧‧b相電壓
Vab‧‧‧ab相電壓
Ia‧‧‧電感器L1之電流
Ib‧‧‧電感器L2之電流
In‧‧‧中性點連接線LN之電流

Claims (12)

  1. 一種電源裝置，具備：在直流端子間連接第1開關元件和第2開關元件之串聯電路的第1開關引腳；在上述直流端子間連接第3開關元件和第4開關元件之串聯電路的第2開關引腳；在上述直流端子間連接第1電容器和第2電容器之串聯電路的第1電容器引腳；在交流端子間連接第3電容器和第4電容器之串聯電路，並且以中性點連接線連接上述第3、第4電容器之連接點和上述第1、第2電容器之連接點的第2電容器引腳；被連接於上述第1、第2開關元件之連接點和上述交流端子之一端之間的第1電感器；被連接於上述第3、第4開關元件之連接點和上述交流端子之另一端之間的第2電感器；及控制上述第1~第4開關元件之導通斷開狀態的控制手段，在上述交流端子和上述第3、第4電容器之連接點之間連接交流電源，在上述直流端子間連接直流電源，其特徵在於：上述控制手段使用上述交流電源之電力，以將上述第1電容器及上述第2電容器充電成高於上述交流電源之電壓波高值的電壓之方式，操作上述第1和第2開關引腳之 開關元件。
  2. 如請求項1所記載之電源裝置，其中上述控制手段具備比較上述第1電容器及上述第2電容器之電壓和設定電壓而操作上述開關元件的功能，為了將上述第1電容器及上述第2電容器充電成高於上述交流電源之電壓波高值的電壓，使上述第2開關引腳之第3開關元件和第4開關元件成為斷開狀態，並且使上述第1開關引腳之第1開關元件和第2開關元件交互成為接通狀態，同時上述設定電壓被設定成高於上述交流電源之電壓波高值的電壓。
  3. 如請求項1所記載之電源裝置，其中上述控制手段具備電壓平衡控制功能，其係在上述第1電容器之電壓低於上述第2電容器之電壓的情況下，增加從上述第1、第2電容器之連接點朝向上述第3、第4電容器之連接點的上述中性點連接線之電流，在上述第2電容器之電壓低於上述第1電容器之電壓的情況下，增加從上述第3、第4電容器之連接點朝向上述第1、第2電容器之連接點的上述中性點連接線之電流。
  4. 如請求項3所記載之電源裝置，其中上述中性點連接線之電流係將從上述第1、第2電容器之連接點朝向上述第3、第4電容器之連接點的方向設為正，上述控制手段在上述電壓平衡控制中，於上述第1電 容器之電壓低於上述第2電容器之電壓之情況下，使上述中性點連接線之電流之正的波高值大於負的波高值，於上述第2電容器之電壓低於上述第1電容器之電壓之情況下，使上述中性點連接線之電流之負的波高值大於正的波高值。
  5. 如請求項3所記載之電源裝置，其中上述控制手段在上述電壓平衡控制中，在上述第1、第2電容器之電壓皆高於第1臨界值之情況下，使上述第1~第4開關元件之開關動作停止，在上述第1、第2電容器中之至少一方之電壓低於上述2臨界值之情況下，使停止的上述第1~第4開關元件之開關動作再啟動。
  6. 如請求項3所記載之電源裝置，其中具備：在上述直流端子間串聯連接第5開關元件和第6開關元件的第3開關引腳；和被連接於上述第5開關元件和第6開關元件之連接點和上述第1、第2電容器之連接點之間的第3電感器，上述控制手段在上述電壓平衡控制中，使上述第5開關元件和第6開關元件之開關動作停止。
  7. 如請求項1所記載之電源裝置，其中上述控制手段具備將從上述交流電源輸入之電流控制成正弦波狀之功率改善控制功能。
  8. 如請求項1所記載之電源裝置，其中具備有被逆並聯連接於上述第1~第6開關元件之各個的二極體。
  9. 如請求項1所記載之電源裝置，其中上述控制手段具備有對上述交流電源供給上述直流電源之電力的DC-AC模式1。
  10. 如請求項1所記載之電源裝置，其中將上述第2電容器引腳之兩端和上述第3、第4電容器之連接點當作交流端子，且在上述交流端子和上述交流電源之間具備繼電器接點，上述控制手段具備有使上述繼電器接點成為斷開狀態而將上述直流電源之電力供給至連接於上述交流端子之交流負載的DC-AC模式2。
  11. 一種電源裝置之運轉方法，該電源裝置具備：在直流端子間連接第1開關元件和第2開關元件之串聯電路的第1開關引腳；在上述直流端子間連接第3開關元件和第4開關元件之串聯電路的第2開關引腳；在上述直流端子間連接第1電容器和第2電容器之串聯電路的第1電容器引腳；在交流端子間連接第3電容器和第4電容器之串聯電路，並且以中性點連接線連接上述第3、第4電容器之連接點和上述第1、第2電容器之連接點的第2電容器引腳；被連接於上述第1、第2開關元件之連接點和上述交流端子之一端之間的第1電感器；被連接於上述第3、第4開關元件之連接點和上述交 流端子之另一端之間的第2電感器；及控制上述第1~第4開關元件之導通斷開狀態的控制手段，在上述交流端子和上述第3、第4電容器之連接點之間，交流電源和負載互相被並聯連接，在上述直流端子間連接直流電源，該電源裝置之運轉方法之特徵在於：在從上述交流電源對上述負載供給電力的通常運轉狀態中，上述控制手段使用上述交流電源之電力，以將上述第1電容器及上述第2電容器充電成高於上述交流電源之電壓波高值的電壓之方式，操作上述第1和第2開關引腳之開關元件。
  12. 如請求項11所記載之電源裝置之運轉方法，其中上述控制手段在由於上述交流電源之異常使得無法從上述交流電源對上述負載供給電力之狀態下，開始進行使被充電成高於上述交流電源之電壓波高值之電壓的電容器電壓成為初期值的電力供給。
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