WO2012093486A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a power converter, and more particularly, to a power converter that converts DC power into AC power.
  • a power conversion device that converts DC power into AC power includes a capacitor that stabilizes a DC voltage from a DC power source, and an inverter that converts the DC voltage stabilized by the capacitor into an AC voltage.
  • a ripple current is generated with the switching operation of the semiconductor switching element. The ripple current generated by the inverter is absorbed by the capacitor (see, for example, JP-A-2006-87212 (Patent Document 1)).
  • an aluminum electrolytic capacitor is generally used as a capacitor. While this aluminum electrolytic capacitor has an advantage of a large capacitance value, it has a disadvantage of a low ripple current supply capability (absorption capability). For this reason, in order to supply the ripple current required by the inverter, it is necessary to use a plurality of aluminum electrolytic capacitors connected in parallel, and there is a problem that the apparatus becomes large and expensive.
  • the ripple current is a high-frequency alternating current
  • the ripple current generated in the inverter is absorbed by the capacitor and the ripple current is supplied from the capacitor to the inverter.
  • a main object of the present invention is to provide a power conversion device that can be reduced in size and cost and has a high degree of design freedom.
  • a power converter according to the present invention is a power converter that converts DC power into AC power, a DC stabilization circuit that stabilizes a DC voltage from a DC power supply, and a DC that is stabilized by the DC stabilization circuit. And an inverter that converts the voltage into an AC voltage.
  • the DC stabilization circuit includes an input terminal that receives a DC voltage from a DC power supply, a DC output terminal that is connected to an inverter, a power storage device that is connected to the input terminal and smoothes the DC voltage of the input terminal, and one terminal that A reactor is connected to the input terminal, the other terminal is connected to the output terminal, and prevents a DC stabilizing circuit from oscillating, and a film capacitor is connected to the output terminal and supplies a ripple current to the inverter.
  • the power storage device is an electrolytic capacitor.
  • the power storage device is an electric double layer capacitor.
  • the power storage device is a battery.
  • the reactor is a saturable reactor.
  • the DC stabilizing circuit further includes a fuse interposed between the input terminal and one terminal of the reactor.
  • the DC voltage is smoothed by the power storage device, the ripple current is supplied by the film capacitor, and the oscillation is prevented by the reactor. Therefore, since the power storage device does not need to supply a ripple current, a small size and a low price are sufficient. Further, since only the film capacitor can be disposed close to the inverter and the power storage device can be disposed away from the inverter, the degree of freedom in design is increased, and the inverter portion can be reduced in size.
  • FIG. 1 It is a circuit block diagram which shows the structure of the power converter device by one Embodiment of this invention. It is a circuit diagram for demonstrating the effect of the saturable reactor shown in FIG. It is a circuit diagram which shows the example of a change of embodiment.
  • a power conversion device is a device that converts DC power supplied from a DC power supply 1 into AC power, and includes a DC stabilization circuit 2 and an inverter 3. .
  • DC power supply 1 is a device that supplies DC power, for example, a converter that converts AC power into DC power. Further, the DC power source 1 may be a rectifier circuit that rectifies an AC voltage, a battery that stores DC power, a solar cell that generates DC power, or a fuel cell.
  • the DC stabilizing circuit 2 is a circuit that stabilizes the DC voltage from the DC power source 1 and includes input terminals T1, T2, DC output terminals T3, T4, an aluminum electrolytic capacitor 4, a saturable reactor 5, and a film capacitor 6. including.
  • the input terminals T1 and T2 are connected to the positive output terminal 1a and the negative output terminal 1b of the DC power supply 1, respectively, and receive the DC voltage output from the DC power supply 1.
  • the aluminum electrolytic capacitor 4 is connected between the input terminals T1 and T2 and is charged with a DC voltage from the DC power source 1.
  • the DC voltage output from the DC power source 1 is smoothed by the aluminum electrolytic capacitor 4.
  • the aluminum electrolytic capacitor 4 has an advantage of a large capacitance value, but has a disadvantage of a low ripple current supply capability (absorption capability).
  • the film capacitor 6 is connected between the DC output terminals T3 and T4.
  • the film capacitor 6 has the advantages that the ripple current supply capability (absorption capability) is high and the life is long, but the capacitance value is small.
  • the film capacitor 6 has a small capacitance value, so it is not suitable for a DC smoothing capacitor, and the stored energy is also small, so it is not suitable for a backup capacitor in the case of a momentary drop. Further, in order to obtain a large capacitance value, it is necessary to use a plurality of capacitors connected in parallel, and there is a problem that the apparatus is increased in size and cost.
  • both the aluminum electrolytic capacitor 4 and the film capacitor 6 are used, and one disadvantage is complemented by the other advantage.
  • a resonance circuit is formed by the inductance component of the wiring 7 between them and the capacitors 4 and 6.
  • the film capacitor 6 is disposed in the immediate vicinity of the inverter 3, and the film capacitor 6 and the aluminum electrolytic capacitor 4 are connected by the saturable reactor 5. Thereby, the high frequency impedance between the capacitors 4 and 6 can be increased, and the resonance phenomenon is suppressed.
  • the high frequency ripple current can be supplied to the inverter 3 only by the film capacitor 6 and the DC voltage can be smoothed by the aluminum electrolytic capacitor 4, and the ripple current supply and the DC smoothing are designed separately. Is possible.
  • the ripple current flowing through the aluminum electrolytic capacitor 4 is reduced, an inexpensive aluminum electrolytic capacitor 4 having high internal resistance can be used. Furthermore, since the film capacitor 6 is small, the power conversion unit including the capacitor 6 and the inverter 3 can be reduced in size, and the aluminum electrolytic capacitor 4 can be disposed at a position away from the power conversion unit. Increase.
  • the saturable reactor 5 includes two coils 5a and 5b that are electromagnetically coupled. One terminal of the coil 5a is connected to the DC output terminal T3, and the other terminal is connected to the input terminal T1. One terminal of the coil 5b is connected to the input terminal T2, and the other terminal is connected to the DC output terminal T4.
  • the reactance L of the saturable reactor 5 changes according to the product V ⁇ t of the voltage V applied between the terminals of the saturable reactor 5 and time t, and has a constant value when V ⁇ t is lower than a predetermined value. However, when V ⁇ t exceeds a predetermined value, it rapidly decreases. Therefore, the reactance L of the saturable reactor 5 has a high value for a high frequency voltage and a low value for a low frequency voltage and a DC voltage. For this reason, the DC voltage smoothed by the aluminum electrolytic capacitor 4 passes through the saturable reactor 5 and is supplied to the inverter 3, but the high-frequency ripple voltage generated by the switching operation of the inverter 3 is saturable. Do not pass through reactor 5.
  • the inverter 3 includes IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) Q1 to Q6, diodes D1 to D6, and AC output terminals T5 to T7.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • the collectors of IGBTs Q1 to Q3 are all connected to a DC output terminal T3, and their emitters are connected to AC output terminals T5 to T7, respectively.
  • the collectors of IGBTs Q4 to Q6 are connected to AC output terminals T5 to T7, respectively, and their emitters are all connected to DC output terminal T4.
  • the diodes D1 to D6 are connected in antiparallel to the IGBTs Q1 to Q6, respectively.
  • a control circuit applies a control signal to each of the gates of IGBTs Q1 to Q6, turns on / off each of IGBTs Q1 to Q6 at a predetermined timing, and converts a DC voltage into a three-phase AC voltage.
  • a three-phase load for example, a three-phase motor
  • the phase is shifted by 60 degrees in the order of IGBTs Q1, Q6, Q2, Q4, Q3, and Q5 and turned on by 120 degrees
  • three-phase AC power can be supplied to the three-phase load.
  • the aluminum electrolytic capacitor 4 is used as a capacitor for direct current smoothing, energy storage, and backup.
  • an electric double layer capacitor or various batteries may be used in place of the aluminum electrolytic capacitor 4. An effect is obtained.
  • a normal reactor may be used in place of the saturable reactor 5. Even in a normal reactor, the impedance of the reactor increases in proportion to the frequency, so that the high frequency ripple current can be cut off by the reactor, and the occurrence of a resonance phenomenon can be suppressed.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a modified example of this embodiment, and is a diagram to be compared with FIG.
  • a fuse 8 is added to the direct current stabilization circuit 2.
  • the fuse 8 is inserted between the input terminal T1 and the other terminal of the coil 5a of the saturable reactor 5.
  • the fuse 8 is blown when the IGBT of the inverter 3 fails and is short-circuited, so that the influence of the IGBT short-circuit failure can be mitigated.
  • the fuse 8 since the fuse 8 is provided on the aluminum electrolytic capacitor 4 side of the saturable reactor 5, the fuse 8 can be easily selected without considering that a high-frequency ripple current flows through the fuse 8.
  • 1 DC power supply 1a positive output terminal, 1b negative output terminal, 2 DC stabilization circuit, 3 inverter, 4 aluminum electrolytic capacitor, 5 saturable reactor, 5a, 5b coil, 6 film capacitor, 7 wiring, 8 fuse, Q1-Q6 IGBT, D1-D6 diode, T1, T2 input terminal, T3, T4 DC output terminal, T5-T7 AC output terminal.

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Abstract

　この電力変換装置は、直流電源（１）からの直流電圧を安定化させる直流安定化回路（２）と、直流安定化回路（２）によって安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（３）とを備える。直流安定化回路（２）は、直流電圧を平滑化するアルミ電解コンデンサ（４）と、直流安定化回路（２）が発振するのを防止する可飽和リアクトル（５）と、インバータ（３）にリプル電流を供給するフィルムコンデンサ（６）とを含む。

Description

電力変換装置
　この発明は電力変換装置に関し、特に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。
　一般に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置は、直流電源からの直流電圧を安定化させるコンデンサと、コンデンサで安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えている。また、インバータでは、半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴い、リプル電流が発生する。インバータで発生したリプル電流はコンデンサに吸収される（たとえば、特開２００６－８７２１２号公報（特許文献１）参照）。
特開２００６－８７２１２号公報
　このような電力変換装置では、一般に、コンデンサとしてアルミ電解コンデンサが使用されている。このアルミ電解コンデンサには、容量値が大きいという長所がある一方、リプル電流の供給能力（吸収能力）が低いという短所がある。このため、インバータが必要とするリプル電流を供給するには、複数のアルミ電解コンデンサを並列接続して使用する必要があり、装置が大型化、コスト高になるという問題がある。
　なお、リプル電流は高周波の交流電流であるので、インバータで発生したリプル電流はコンデンサに吸収されるということと、コンデンサからインバータにリプル電流が供給されるということとは、同義である。
　また、このような電力変換装置では、コンデンサからインバータにリプル電流を供給するため、コンデンサとインバータを近接して配置し、コンデンサとインバータの間の配線のインダクタンス成分を小さくする必要がある。このため、装置設計の自由度が小さいという問題もある。
　それゆえに、この発明の主たる目的は、装置の小型化、低コスト化が可能で、設計の自由度が大きな電力変換装置を提供することである。
　この発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、直流電源からの直流電圧を安定化させる直流安定化回路と、直流安定化回路によって安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えたものである。直流安定化回路は、直流電源からの直流電圧を受ける入力端子と、インバータに接続される直流出力端子と、入力端子に接続され、入力端子の直流電圧を平滑化する蓄電装置と、一方端子が入力端子に接続され、他方端子が出力端子に接続され、直流安定化回路が発振するのを防止するリアクトルと、出力端子に接続され、インバータにリプル電流を供給するフィルムコンデンサとを含む。
　好ましくは、蓄電装置は電解コンデンサである。
　また好ましくは、蓄電装置は電気二重層コンデンサである。
　また好ましくは、蓄電装置は電池である。
　また好ましくは、リアクトルは可飽和リアクトルである。
　また好ましくは、直流安定化回路は、さらに、入力端子とリアクトルの一方端子との間に介挿されたヒューズを含む。
　この発明に係る電力変換装置では、蓄電装置によって直流電圧を平滑化し、フィルムコンデンサによってリプル電流を供給し、リアクトルによって発振を防止する。したがって、蓄電装置はリプル電流を供給する必要が無いので、小型で低価格のもので足りる。また、フィルムコンデンサのみをインバータに近接配置し、蓄電装置はインバータから離間させて配置できるので、設計の自由度が大きくなり、インバータ部分の小型化を図ることができる。
この発明の一実施の形態による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した可飽和リアクトルの効果を説明するための回路図である。 実施の形態の変更例を示す回路図である。
　本発明の一実施の形態による電力変換装置は、図１に示すように、直流電源１から供給される直流電力を交流電力に変換する装置であって、直流安定化回路２およびインバータ３を備える。
　直流電源１は、直流電力を供給する装置であり、たとえば、交流電力を直流電力に変換するコンバータである。また、直流電源１は、交流電圧を整流する整流回路でもよいし、直流電力を蓄えたバッテリでもよいし、直流電力を発生する太陽電池、燃料電池でもよい。
　直流安定化回路２は、直流電源１からの直流電圧を安定化させる回路であって、入力端子Ｔ１，Ｔ２、直流出力端子Ｔ３，Ｔ４、アルミ電解コンデンサ４、可飽和リアクトル５、およびフィルムコンデンサ６を含む。
　入力端子Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ直流電源１の正側出力端子１ａおよび負側出力端子１ｂに接続され、直流電源１から出力された直流電圧を受ける。アルミ電解コンデンサ４は、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続され、直流電源１からの直流電圧に充電される。直流電源１から出力された直流電圧は、アルミ電解コンデンサ４によって平滑化される。上述したように、アルミ電解コンデンサ４には、容量値が大きいという長所がある一方、リプル電流の供給能力（吸収能力）が低いという短所がある。
　フィルムコンデンサ６は、直流出力端子Ｔ３とＴ４の間に接続される。フィルムコンデンサ６は、リプル電流の供給能力（吸収能力）が高く、寿命が長いという長所を有するが、容量値が小さいという短所を有する。フィルムコンデンサ６は、容量値が小さいので直流平滑用コンデンサには不向きであり、また蓄積エネルギーも小さいので瞬低時などのバックアップ用コンデンサとしても不向きである。また、大きな容量値を得るためには、複数のコンデンサを並列接続して使用する必要があり、装置の大型化、高コスト化を招くという問題がある。
　そこで、本願発明では、アルミ電解コンデンサ４およびフィルムコンデンサ６の両方を使用し、一方の短所を他方の長所で補完する。ただし、図２に示すように、アルミ電解コンデンサ４とフィルムコンデンサ６を単に並列接続しただけでは、それらの間の配線７のインダクタンス成分とコンデンサ４，６によって共振回路が形成される。その共振回路の共振周波数とインバータ３のスイッチング周波数とが近接すると、その共振回路に共振リプル電流が流れ、コンデンサ４，６が過熱してしまう。
　そこで、本願発明では、図１に示すように、フィルムコンデンサ６をインバータ３の直近に配置し、このフィルムコンデンサ６とアルミ電解コンデンサ４を可飽和リアクトル５で接続する。これにより、コンデンサ４，６間の高周波インピーダンスを高くすることができ、共振現象が抑制される。
　また、インバータ３への高周波リプル電流の供給はフィルムコンデンサ６のみで行ない、直流電圧の平滑化はアルミ電解コンデンサ４で行なうことが可能となり、リプル電流供給と直流平滑化を分離して設計することが可能となる。
　また、アルミ電解コンデンサ４に流れるリプル電流が小さくなるので、内部抵抗の高い安価なアルミ電解コンデンサ４を使用することができる。さらには、フィルムコンデンサ６は小型であるので、コンデンサ６およびインバータ３を含む電力変換部を小型にし、アルミ電解コンデンサ４を電力変換部から離れた位置に配置することが可能となり、設計の自由度が増す。
　可飽和リアクトル５は、電磁結合された２本のコイル５ａ，５ｂを含む。コイル５ａの一方端子は直流出力端子Ｔ３に接続され、その他方端子は入力端子Ｔ１に接続される。コイル５ｂの一方端子は入力端子Ｔ２に接続され、その他方端子は直流出力端子Ｔ４に接続される。
　可飽和リアクトル５のリアクタンスＬは、可飽和リアクトル５の端子間に印加される電圧Ｖと時間ｔの積Ｖ・ｔによって変化し、Ｖ・ｔが所定値よりも低い場合は一定の値を有し、Ｖ・ｔが所定値を越えると急激に低下する。したがって、可飽和リアクトル５のリアクタンスＬは、高周波電圧に対しては高い値になり、低周波電圧および直流電圧に対しては低い値になる。このため、アルミ電解コンデンサ４で平滑化された直流電圧は、可飽和リアクトル５を通過してインバータ３に供給されるが、インバータ３のスイッチング動作に伴って発生する高周波のリプル電圧は、可飽和リアクトル５を通過しない。
　インバータ３は、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）Ｑ１～Ｑ６、ダイオードＤ１～Ｄ６、および交流出力端子Ｔ５～Ｔ７を含む。
　ＩＧＢＴＱ１～Ｑ３のコレクタはともに直流出力端子Ｔ３に接続され、それらのエミッタはそれぞれ交流出力端子Ｔ５～Ｔ７に接続される。ＩＧＢＴＱ４～Ｑ６のコレクタはそれぞれ交流出力端子Ｔ５～Ｔ７に接続され、それらのエミッタはともに直流出力端子Ｔ４に接続される。ダイオードはＤ１～Ｄ６は、それぞれＩＧＢＴＱ１～Ｑ６に逆並列に接続される。制御回路（図示せず）は、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６のゲートの各々に制御信号を与え、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６の各々を所定のタイミングでオン／オフさせて、直流電圧を三相交流電圧に変換する。
　たとえば、交流出力端子Ｔ５～Ｔ７に三相負荷（たとえば、三相モータ）を接続し、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ６，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ３，Ｑ５の順序で６０度ずつ位相をずらせて１２０度ずつオンさせることにより、三相負荷に三相交流電力を供給することができる。
　なお、この実施の形態では、直流平滑用、エネルギー蓄積用、バックアップ用のコンデンサとしてアルミ電解コンデンサ４を使用したが、アルミ電解コンデンサ４の代わりに電気二重層コンデンサや各種電池を使用しても同じ効果が得られる。
　また、可飽和リアクトル５の代わりに通常のリアクトルを使用してもよい。通常のリアクトルであっても、リアクトルのインピーダンスは周波数に比例して増大するので、リアクトルによって高周波リプル電流を遮断することができ、共振現象の発生を抑制することができる。
　図３は、この実施の形態の変更例を示す回路図であって、図１と対比される図である。図３において、この変更例では、直流安定化回路２にヒューズ８が追加される。ヒューズ８は、入力端子Ｔ１と可飽和リアクトル５のコイル５ａの他方端子との間に介挿される。この変更例では、インバータ３のＩＧＢＴが故障して短絡状態になったとき、ヒューズ８がブローされるので、ＩＧＢＴの短絡故障の影響を緩和することができる。また、ヒューズ８を可飽和リアクトル５のアルミ電解コンデンサ４側に設けたので、ヒューズ８に高周波リプル電流が流れることを考慮せずに、ヒューズ８を容易に選定することができる。
　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。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　直流電源、１ａ　正側出力端子、１ｂ　負側出力端子、２　直流安定化回路、３　インバータ、４　アルミ電解コンデンサ、５　可飽和リアクトル、５ａ，５ｂ　コイル、６　フィルムコンデンサ、７　配線、８　ヒューズ、Ｑ１～Ｑ６　ＩＧＢＴ、Ｄ１～Ｄ６　ダイオード、Ｔ１，Ｔ２　入力端子、Ｔ３，Ｔ４　直流出力端子、Ｔ５～Ｔ７　交流出力端子。

Claims (6)

  1. 　直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
    　直流電源（１）からの直流電圧を安定化させる直流安定化回路（２）と、
    　前記直流安定化回路（２）によって安定化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（３）とを備え、
    　前記直流安定化回路（２）は、
    　前記直流電源（１）からの直流電圧を受ける入力端子（Ｔ１）と、
    　前記インバータ（３）に接続される直流出力端子（Ｔ３）と、
    　前記入力端子（Ｔ１）に接続され、前記入力端子（Ｔ１）の直流電圧を平滑化する蓄電装置（４）と、
    　一方端子が前記入力端子（Ｔ１）に接続され、他方端子が前記直流出力端子（Ｔ３）に接続され、前記直流安定化回路（２）が発振するのを防止するリアクトル（５）と、
    　前記直流出力端子（Ｔ３）に接続され、前記インバータ（３）にリプル電流を供給するフィルムコンデンサ（６）とを含む、電力変換装置。
  2. 　前記蓄電装置は電解コンデンサ（４）である、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記蓄電装置は電気二重層コンデンサである、請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 　前記蓄電装置は電池である、請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 　前記リアクトルは可飽和リアクトル（５）である、請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 　前記直流安定化回路（２）は、さらに、前記入力端子（Ｔ１）と前記リアクトル（５）の一方端子との間に介挿されたヒューズ（８）を含む、請求項１に記載の電力変換装置。
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