WO2017195370A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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隆二 百瀬
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode

Definitions

  • the present invention relates to a power converter having a converter that obtains DC power from AC power.
  • an electronic circuit using a current limiting element is known as means for preventing damage to circuit components due to inrush current.
  • the current limiting element according to the prior art suppresses an inrush current generated at the time of power recovery within a delay time until the switching element is opened in the electronic circuit.
  • the inrush current is generated by supplying the generated inrush current to the current limiting element by opening the switching element.
  • Patent Document 1 discloses a technique for suppressing an inrush current by using a current limiting element such as a resistor or a thermistor arranged in series with a smoothing capacitor in an electronic circuit.
  • a current limiting element such as a resistor or a thermistor arranged in series with a smoothing capacitor in an electronic circuit
  • JP-A-5-316640 Japanese Patent Laid-Open No. 10-271668
  • the reference voltage used for determining whether the switching element is open is likely to fluctuate due to the influence of voltage ripple or voltage noise, and the inrush current cannot be suppressed with high accuracy.
  • the inrush current cannot be suppressed with high accuracy.
  • the second prior art since each electronic element such as a smoothing capacitor or a current limiting element is connected using a relay, it takes time to switch the relay.
  • the inrush current cannot be suppressed when the relay is switched or when a delay occurs in the relay switching operation. For this reason, in the above-described conventional technology, there is a possibility that the circuit element is damaged due to the inrush current flowing in the electronic circuit.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a power conversion device that suppresses inrush current.
  • the power conversion device turns off the first switching means when the second switching means is turned on when the AC power supply fails.
  • the operation of the DC load is stopped.
  • Block diagram of a power converter according to the second embodiment Block diagram of power conversion apparatus according to Embodiment 3 Block diagram of converter included in power conversion device according to each embodiment Block diagram of converter included in power conversion device according to each embodiment Block diagram of converter included in power conversion device according to each embodiment
  • FIG. 1 is a block diagram of a power conversion device 1 according to the first embodiment.
  • the power conversion device 1 includes an AC power source 10, a current limiting unit 11, a first switching unit 12, a control unit 20, a DC load 30, a smoothing capacitor 31, and a converter 40.
  • the converter 40 includes a semiconductor element such as a reactor 43, a second switching unit 44, a switching current detection unit 45, a boosting chopper unit 42 having a boosting diode 46, and a rectifier diode 41.
  • the control unit 20 includes a step-up chopper control unit 21, a switching element control unit 22, a DC load control unit 23, and an instantaneous power failure detection unit 26.
  • the switching unit 12 when the AC power supply 10 fails, the switching unit 12 is turned off when the switching unit 44 is turned on, and the switching current detected by the switching current detection unit 45 is detected.
  • the operation of the DC load 30 is stopped.
  • the converter 40 included in the power converter 1 may be a passive converter that does not perform the boosting operation of the boosting chopper means 42 instead of using an active converter that performs the boosting operation of the boosting chopper means 42.
  • the converter 40 includes a rectifier diode 41 and a boost chopper means 42.
  • the converter 40 is connected to an AC power supply 10 that is a commercial power supply.
  • the rectifier diode 41 is a rectifier that rectifies an AC voltage.
  • the step-up chopper means 42 is a step-up means for stepping up a DC voltage.
  • current limiting means 11 for suppressing inrush current is connected.
  • the current limiting means 11 is a current limiting element such as a resistor or a thermistor.
  • Switching means 12 that functions as a relay for switching whether or not to bypass the current limiting means 11 is connected in parallel to both ends of the current limiting means 11.
  • a smoothing capacitor 31 is connected to the output side of the converter 40, and a DC load 30 is connected to both terminals of the smoothing capacitor 31.
  • the converter 40 is connected to a control means 20 such as a microcomputer.
  • a step-up chopper means 42 is connected to the output side of the rectifier diode 41.
  • the rectifier diode 41 rectifies AC power supplied from the AC power supply 10.
  • the step-up chopper means 42 boosts the voltage value of the power rectified by the rectifier diode 41 to a DC voltage having a predetermined DC voltage value.
  • the boost chopper means 42 supplies the boosted DC voltage to the DC load 30. At this time, the DC voltage boosted by the boosting chopper means 42 is smoothed by the smoothing capacitor 31.
  • the step-up chopper means 42 includes a reactor 43, a switching means 44, a switching current detection means 45, and a step-up diode 46.
  • one end of the reactor 43 is connected to the + output side of the rectifier diode 41 located in the preceding stage of the step-up chopper means 42.
  • the other end of the reactor 43 is connected to one side of the switching means 44.
  • the switching means 44 has a switching function realized by a semiconductor element such as an FET (Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the other end of the switching means 44 is connected to one side of a switching current detection means 45 that functions as a resistor or a current transformer.
  • the other end of the switching current detector 45 is connected to the negative output side of the rectifier diode 41.
  • the connection point between the reactor 43 and the switching means 44 is connected to the anode of the boost diode 46.
  • the cathode of the boost diode 46 is connected to the smoothing capacitor 31. A DC voltage boosted by the switching means 44 is output from the cathode of the boost diode 46.
  • the control means 20 includes a step-up chopper control means 21, a switching element control means 22, a DC load control means 23, and an instantaneous power failure detection means 26.
  • the control unit 20 controls the converter 40 and the switching unit 12. Specifically, the step-up chopper control unit 21 included in the control unit 20 controls the switching operation of the switching unit 44 in the converter 40 to thereby change the DC voltage input to the step-up chopper unit 42 to a predetermined value. To the voltage of The DC load control means 23 controls the operation of the DC load 30.
  • the switching element control unit 22 controls the operation of the switching unit 12. When the switching unit 12 is turned on, the switching unit 12 causes the alternating current from the AC power source 10 to flow by bypassing the current limiting unit 11. Further, the switching unit 12 is turned off, thereby allowing an alternating current from the AC power supply 10 to flow to the current limiting unit 11.
  • the instantaneous power failure detection means 26 detects an instantaneous power failure of the AC power supply 10.
  • the instantaneous power failure detection unit 26 receives switching control information indicating the on / off operation of the switching unit 44 and a switching current value, and determines an instantaneous power failure from one or both of the control information and the switching current.
  • the switching control information is input from the boost chopper control means 21.
  • the switching current value is input from the switching means 45.
  • the instantaneous power failure detection means 26 has a stop signal output means 13 for causing the DC load control means 23 to output a stop signal for stopping the DC load 30.
  • the DC load control unit 23 outputs a stop signal to the DC load 30 in response to an output instruction from the stop signal output unit included in the instantaneous power failure detection unit 26.
  • the switching element control unit 22 includes a release signal output unit 14 that outputs an opening signal for opening the switching unit 12 to the switching unit 12.
  • FIG. 2 is a timing chart until the power converter 1 according to Embodiment 1 recovers from an instantaneous power failure.
  • FIG. 3 is a timing chart from when the power conversion device 1 according to Embodiment 1 detects an instantaneous power failure until the DC load is stopped.
  • FIG. 3 is an enlarged view of an instantaneous power failure occurrence location in FIG.
  • the AC power supply stops the supply of AC power Vac when a power failure occurs.
  • the smoothing capacitor 31 stops the charging operation when the supply of the AC power Vac of the AC power supply is stopped. For this reason, when the DC load 30 continues to operate, the smoothing capacitor is discharged when the DC load 30 reduces the power, and the bus voltage Vdc, which is the voltage across the terminals of the smoothing capacitor 31, decreases.
  • the instantaneous power failure detection means 26 detects the on / off operation of the switching means 44 from the switching control information input by the boost chopper control means 21.
  • the instantaneous power failure detection means 26 includes an assumed current Is that is assumed to flow to the switching means 44 during the ON period of the detected ON / OFF operation, and a switching current that actually flows from the current detection means 45 to the switching means 44. Comparison with Ic is performed.
  • the instantaneous power failure detection means 26 instructs the DC load control means 23 to output a stop signal to the DC load 30 when it is determined from the comparison result that the switching current Ic is lower than the assumed current Is.
  • the instantaneous power failure detection means 26 indicates that when the supply of the AC power Vac from the AC power supply 10 is interrupted during the instantaneous power failure, the switching current Ic does not flow even though the switching means 44 is on. It can be determined that the switching current Ic is lower than the assumed current Is.
  • the instantaneous power failure detection means 26 stops the operation of the DC load 30 by inputting a stop signal, and suppresses the drop of the bus voltage Vdc, thereby suppressing the inrush current when the power is restored before the switching means 44 is opened. . Furthermore, if the bus voltage Vdc before power recovery exceeds the peak voltage of the AC power Vac when power is recovered from a power failure, no inrush current is generated.
  • the instantaneous power failure detection means 26 may determine the instantaneous power failure by detecting that the switching current Ic is continuously lower than the assumed current Is a plurality of times in order to suppress erroneous detection near the zero cross of the AC power Vac. Further, the instantaneous power failure detection unit 26 may acquire a current value based on control information such as the phase of the AC power Vac or the load current from the boost chopper control unit 21 and use the acquired current value as the assumed current Is. Even in this case, the instantaneous power failure detection unit 26 may determine the instantaneous power failure by detecting that the switching current Ic is continuously lower than the assumed current Is a plurality of times.
  • the switching frequency in the on / off operation of the switching means 44 is proportional to the time until an instantaneous power failure is determined. For this reason, as the switching frequency of the switching means 44 becomes faster, the time until the instantaneous power failure is determined also becomes faster.
  • the switching frequency is set to 10 kHz
  • the power conversion device 1 has a switching period of 100 ⁇ s. For this reason, the power converter device 1 can determine an instantaneous power failure at intervals of 100 ⁇ s.
  • the instantaneous power failure detection means 26 stops the DC load 30 before the voltage between the terminals of the smoothing capacitor 31 falls below the peak voltage of the AC power, thereby restoring power from the instantaneous power failure. Inrush current due to can be suppressed.
  • the condition for suppressing the inrush current is expressed as the following equation (1).
  • the power conversion device 1 monitors the voltage value in the electronic circuit, and suppresses the decrease in the voltage between the terminals of the smoothing capacitor 31 according to the comparison result between the voltage value and a predetermined threshold value. Thus, the inrush current can be suppressed.
  • FIG. FIG. 4 is a block diagram of power conversion device 1a according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the power conversion device 1a illustrated in FIG. 4 includes a zero-cross detection unit 28 that detects an AC voltage value of AC power output from the AC power supply 10.
  • the zero cross detection means 28 outputs the detected AC voltage value to the instantaneous power failure detection means 26.
  • the instantaneous power failure detection unit 26 can compare a predetermined threshold value with the AC voltage value received from the zero cross detection unit 28 and detect an instantaneous power failure from the comparison result.
  • the detected AC power Vac is near zero crossing, since the instantaneous voltage is low and the switching current Ic is small, it is difficult to compare the switching current Ic and the assumed current Is. Further, the AC power Vac near the zero cross does not cause damage to the electronic circuit because the instantaneous voltage is low.
  • the voltage value in the electronic circuit is monitored, and the decrease in the voltage between the terminals of the smoothing capacitor 31 is suppressed according to the comparison result between the voltage value and a predetermined threshold value.
  • the inrush current can be suppressed.
  • FIG. FIG. 5 is a block diagram of a power conversion device 1b according to the third embodiment.
  • the power conversion device 1b according to Embodiment 3 of the present invention is different from the power conversion device 1a according to Embodiment 2 in that an AC power detection unit 27 and a DC voltage detection unit 29 are provided.
  • the AC power detection means 27 detects the voltage value of the AC power of the AC power supply 10 and outputs the detected voltage value to the instantaneous power failure detection means 26.
  • the DC voltage detection means 29 detects the bus voltage Vdc and outputs the detected bus voltage Vdc to the instantaneous power failure detection means 26.
  • the power conversion device b1 compares the reference voltage Vref, which is a threshold for limiting the value of the power supply current, with the bus voltage Vdc.
  • the reference voltage Vref is generated by reference voltage generation means (not shown) and sent to the instantaneous power failure detection means 26.
  • the instantaneous power failure detection means 26 determines an instantaneous power failure when the bus voltage Vdc input from the DC voltage detection means 29 is lower than the reference voltage Vref and the switching current Ic is lower than the assumed current Is.
  • the load 30 is stopped.
  • the power conversion device 1b according to the third embodiment determines whether the bus voltage Vdc is lower than the reference voltage Vref and the assumed current Is, thereby providing a margin in consideration of erroneous detection due to noise and voltage ripple when determining the reference voltage Vref. It can be unnecessary.
  • the power conversion device 1b according to the third embodiment includes the bus voltage Vdc immediately before power recovery, which is an element that determines the magnitude of the inrush current, and the AC power Vac supplied from the AC power supply 10 at the time of power recovery.
  • the reference voltage may be determined using the difference. Therefore, the power conversion device 1b according to the third embodiment that determines whether the bus voltage Vdc is lower than the reference voltage Vref and the assumed current Is is more direct current than when the determination is made only by comparing the switching current Ic and the assumed current Is. Since the stop time of the load 30 can be shortened, it contributes to continuous stable operation of the system.
  • the reference voltage Vref is the voltage of the AC power Vac estimated from the voltage level of the AC power Vac, the voltage level of the bus voltage Vdc output from the converter 40, and the voltage level of the bus voltage Vdc when the converter 40 is not operating. It may be set according to at least one of the levels. Further, when the converter 40 included in the power conversion device according to each embodiment stops the boosting operation and shifts to the passive operation, the reference voltage Vref set according to at least one of the above-described voltage levels is used. May be. Further, the instantaneous power failure detection means 26 in the control device 20 uses the bus voltage Vdc detected by the DC voltage detection means 29 when the converter 40 performs the AC power rectification operation and does not perform the AC power boost operation.
  • the AC voltage of the AC power may be estimated, and the reference voltage may be set according to the estimated AC voltage value.
  • the instantaneous power failure detection means 26 lowers the step-up level of the DC voltage by at least one of a stepped method and a continuous method, and either or both methods
  • the reference voltage may be set according to the boost level lowered in step (1).
  • the power conversion device 1b monitors the voltage value in the electronic circuit and suppresses the decrease in the voltage between the terminals of the smoothing capacitor 31 according to the comparison result between the voltage value and a predetermined threshold value. Thus, the inrush current can be suppressed.
  • the power conversion device 1 b includes AC power detection means 27 that detects an AC voltage of AC power, and the instantaneous power failure detection means 26 includes a predetermined threshold value and AC power detection means. When the AC voltage is within the range, the switching load detected by the switching current detecting means 45 is less than the current value or the operation of the DC load 30 is continued. Good.
  • the boost chopper means 42 includes a reactor 43a, a reactor 43b, a switching means 44a, a switching means 44b, a switching current detection means 45a, a switching current detection means 45b, a boost diode 46a, and a boost diode 46b.
  • Reactor 43 b and boost diode 46 b are connected in series with rectifier diode 41.
  • Reactor 43a and boost diode 46a are connected in parallel to reactor 43b and boost diode 46b.
  • the switching current detection means 45a is connected to the anode of the rectifier diode 41 and the switching means 44a, and one end of the switching means 44a is connected between the reactor 43a and the boost diode 46a.
  • the switching current detecting means 45b is connected to the anode of the rectifier diode 41 and the switching means 44b, and one end of the switching means 44b is connected between the reactor 43b and the boost diode 46b.
  • the alternating current is supplied to the reactor 43, and the direct current voltage is rectified by the rectifier diode 41 through the reactor 43.
  • a wide band gap semiconductor such as SiC, GaN, or diamond may be used for the rectifier diode 41 or the boost diode 46 in the power conversion device 1 according to each embodiment.
  • the instantaneous power failure detection means 26 in the power conversion device 1 detects the instantaneous power failure by switching the switching means 44 in the converter 40 as many times as necessary for each power cycle, and stops the DC load 30.
  • the inrush current may be suppressed.
  • the instantaneous power failure detection means 26 in the power converter 1 causes the DC load 30 to stop by switching the switching means 44 in the converter 40 a required number of times for each power cycle.
  • the inrush current may be suppressed by boosting the bus voltage Vdc in the light load state and satisfying the condition of Expression (1).
  • the power conversion device 1 according to each embodiment can be used for suppressing inrush current even when a DC power source is used as a power source instead of the AC power source 10. Since the power conversion device which is a power source DC power supply does not require a rectification operation, the rectifier diode 41 is unnecessary.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit and change the part.

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Abstract

本実施の形態に係る電力変換装置(1)は、交流電源が停電した場合は、スイッチング手段(44)のオン動作時において、スイッチング手段(12)をオフ動作させ、スイッチング電流検出手段(45)で検出されたスイッチング電流が、予め定められた電流値以下であると判定した場合、直流負荷(30)の動作を停止させる。

Description

電力変換装置
 本発明は、交流電力から直流電力を得るコンバーターを有する電力変換装置に関する。
 従来技術では、突入電流による回路部品の破損を防止する手段として、電流制限素子を用いた電子回路が知られている。従来技術に係る電流制限素子は、電子回路内において、スイッチング素子の開放までの遅延時間内の復電時に生じる突入電流を抑制する。
 第1の従来技術では、電子回路において、平滑コンデンサーの端子間電圧が基準電圧以下となった場合、スイッチング素子を開放することにより、発生した突入電流を電流制限素子に投入することで、突入電流の値を抑制する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、第2の従来技術では、電子回路内に、平滑コンデンサーに対し直列に配置された抵抗又はサーミスタといった電流制限素子を用いることで、突入電流を抑制する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
特開平5-316640号公報 特開平10-271668号公報
 しかしながら、第1の従来技術では、スイッチング素子の開放の判定に用いられる基準電圧は、電圧リップル又は電圧ノイズによる影響を受けることで変動が生じやすく、突入電流を高精度に抑制することが出来ない問題があった。また、第2の従来技術では、リレーを用いて平滑コンデンサー又は電流制限素子といった各電子素子がそれぞれ接続しているため、リレーの切り替え動作に時間を要する。従来技術は、リレーの切り替え時の際及びリレーの切り替え動作に遅延が発生した場合、突入電流を抑制しきれないおそれがある。このため、上記従来技術では、電子回路に突入電流が流れることで回路素子の破損が生じる可能性があった。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、突入電流を抑制する電力変換装置を得ることを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、交流電源が停電した場合は、第2のスイッチング手段のオン動作時において、第1のスイッチング手段をオフ動作させ、検出されたスイッチング電流が、予め定められた電流値以下であると判定した場合、直流負荷の動作を停止させる。
 本発明によれば、突入電流を抑制する電力変換装置が得られるという効果を奏する。
本実施の形態1に係る電力変換装置のブロック図 本実施の形態1に係る電力変換装置における瞬時停電から復電するまでのタイミングチャート 電力変換装置における瞬時停電の検出から直流負荷を停止するまでのタイミングチャート 本実施の形態2に係る電力変換装置のブロック図 本実施の形態3に係る電力変換装置のブロック図 各実施の形態に係る電力変換装置が有するコンバーターのブロック図 各実施の形態に係る電力変換装置が有するコンバーターのブロック図 各実施の形態に係る電力変換装置が有するコンバーターのブロック図
 以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
 図1は、実施の形態1に係る電力変換装置1のブロック図である。図1に示すように、電力変換装置1は、交流電源10と、電流制限手段11と、第1のスイッチング手段12と、制御手段20と、直流負荷30と、平滑コンデンサー31と、コンバーター40と、を備える。コンバーター40は、リアクトル43と、第2のスイッチング手段44と、スイッチング電流検出手段45と、昇圧ダイオード46と、を有する昇圧チョッパー手段42と、整流ダイオード41といった半導体素子で構成されている。また、制御手段20は、昇圧チョッパー制御手段21と、スイッチング素子制御手段22と、直流負荷制御手段23と、瞬時停電検出手段26と、を備える。実施の形態1に係る電力変換装置1は、交流電源10が停電した場合は、スイッチング手段44のオン動作時において、スイッチング手段12をオフ動作させ、スイッチング電流検出手段45で検出されたスイッチング電流が、予め定められた電流値以下であると判定した場合、直流負荷30の動作を停止させる。なお、電力変換装置1が備えるコンバーター40は、昇圧チョッパー手段42の昇圧動作を行うアクティブコンバーターが用いられる替りに、昇圧チョッパー手段42の昇圧動作を行わないパッシブコンバーターが用いられてもよい。
 図1に示すように、コンバーター40は、整流ダイオード41及び昇圧チョッパー手段42を備える。コンバーター40は、商用電源である交流電源10に接続されている。整流ダイオード41は、交流電圧を整流する整流手段である。昇圧チョッパー手段42は、直流電圧を昇圧する昇圧手段である。交流電源10とコンバーター40との間には、突入電流を抑制するための電流制限手段11が接続されている。電流制限手段11は、抵抗又はサーミスタといった電流制限素子である。電流制限手段11の両端には、電流制限手段11を迂回するか否かを切替えるためのリレーとして機能するスイッチング手段12が並列に接続されている。コンバーター40の出力側には、平滑コンデンサー31が接続され、平滑コンデンサー31の両方の端子には、直流負荷30が接続されている。また、コンバーター40は、マイコン(マイクロコンピュータ)といった制御手段20に接続される。
 コンバーター40は、コンバーター40の有する整流ダイオード41に、交流電源10から出力された交流電力が電流制限手段11を介して入力される。整流ダイオード41の出力側には、昇圧チョッパー手段42が接続される。実施の形態1では、整流ダイオード41は、交流電源10から供給される交流電力を整流する。昇圧チョッパー手段42は、整流ダイオード41によって整流された電力の電圧値を、予め定められた直流電圧値の直流電圧に昇圧する。昇圧チョッパー手段42は、昇圧した直流電圧を直流負荷30に供給する。この際に、昇圧チョッパー手段42で昇圧された直流電圧は、平滑コンデンサー31により平滑される。
 昇圧チョッパー手段42は、リアクトル43、スイッチング手段44、スイッチング電流検出手段45及び昇圧ダイオード46を備える。昇圧チョッパー手段42において、リアクトル43の一端には、昇圧チョッパー手段42の前段に位置する整流ダイオード41の+出力側が接続される。リアクトル43の他端は、スイッチング手段44の片側に接続されている。スイッチング手段44は、FET(Field Effect Transistor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)といった半導体素子によりスイッチング機能を実現される。
 スイッチング手段44の他端には、抵抗又はカレントトランスとして機能するスイッチング電流検出手段45の片側が接続されている。スイッチング電流検出手段45の他端には、整流ダイオード41の-出力側が接続されている。リアクトル43とスイッチング手段44との接続点は、昇圧ダイオード46のアノードが接続される。昇圧ダイオード46のカソードは、平滑コンデンサー31に接続されている。昇圧ダイオード46のカソードからは、スイッチング手段44によって昇圧された直流電圧が出力される。
 制御手段20は、昇圧チョッパー制御手段21と、スイッチング素子制御手段22と、直流負荷制御手段23と、瞬時停電検出手段26と、を備える。制御手段20は、コンバーター40、及びスイッチング手段12を制御する。具体的には、制御手段20が備える昇圧チョッパー制御手段21は、コンバーター40内のスイッチング手段44のスイッチング動作を制御することで、昇圧チョッパー手段42に入力された直流電圧を、予め定められた値の電圧に変換させる。直流負荷制御手段23は、直流負荷30の動作を制御する。スイッチング素子制御手段22は、スイッチング手段12の動作を制御する。スイッチング手段12は、ONになることによって、交流電源10からの交流電流を、電流制限手段11をバイパスさせて流す。また、スイッチング手段12は、OFFになることによって、交流電源10からの交流電流を、電流制限手段11に流す。瞬時停電検出手段26は、交流電源10の瞬時停電を検出する。
 詳細には、瞬時停電検出手段26は、スイッチング手段44のオンオフ動作を示すスイッチング制御情報、及びスイッチング電流値が入力され、制御情報及びスイッチング電流の一方又は両方から瞬時停電を判断する。スイッチング制御情報は、昇圧チョッパー制御手段21から入力される。スイッチング電流値は、スイッチング手段45から入力される。ここで、瞬時停電検出手段26は、直流負荷30を停止させるための停止信号を直流負荷制御手段23に出力させる停止信号出力手段13を有する。直流負荷制御手段23は、瞬時停電検出手段26が有する停止信号出力手段の出力指示により、停止信号を直流負荷30に出力する。また、スイッチング素子制御手段22は、スイッチング手段12を開放させるための開放信号をスイッチング手段12に出力する解放信号出力手段14を備える。
 図2は、実施の形態1に係る電力変換装置1が、瞬時停電から復電するまでのタイミングチャートである。図3は、実施の形態1に係る電力変換装置1が、瞬時停電を検出してから直流負荷を停止するまでのタイミングチャートである。図3は、図2における瞬時停電発生箇所を拡大して示している。
 図3に示すように、交流電源は、停電が発生した場合、交流電力Vacの供給を停止する。平滑コンデンサー31は、交流電源の交流電力Vacの供給の停止により、充電動作を停止する。このため、直流負荷30が動作を継続している場合、平滑コンデンサーは、直流負荷30が電力を小にすることによって放電され、平滑コンデンサー31の端子間電圧である母線電圧Vdcが低下する。
 瞬時停電検出手段26は、昇圧チョッパー制御手段21により入力されるスイッチング制御情報から、スイッチング手段44のオンオフ動作を検出する。瞬時停電検出手段26は、検出したオンオフ動作のうちスイッチング手段44のオンの期間において、スイッチング手段44に流れると想定される想定電流Isと、電流検出手段45からスイッチング手段44に実際に流れるスイッチング電流Icとの比較を行う。
 瞬時停電検出手段26は、スイッチング電流Icが想定電流Isを下回ることを比較結果から判定した場合、直流負荷制御手段23に、停止信号を直流負荷30に出力する旨を指示する。このように、瞬時停電検出手段26は、瞬時停電時に交流電源10からの交流電力Vacの供給が断たれた際、スイッチング手段44がオンであるにも関わらずスイッチング電流Icが流れないことを、スイッチング電流Icが想定電流Isを下回ることで判断することができる。
 瞬時停電検出手段26は、停止信号の入力により直流負荷30の動作を停止させ、母線電圧Vdcの低下を抑制することで、スイッチング手段44が開放する前に復電した際の突入電流を抑制する。さらに、復電前の母線電圧Vdcが、停電から復電した際の交流電力Vacのピーク電圧を上回っていれば、突入電流を発生しない。
 瞬時停電検出手段26は、交流電力Vacのゼロクロス付近の誤検知を抑制するために、スイッチング電流Icが想定電流Isを複数回連続で下回ることを検出することで瞬時停電を判断してもよい。また、瞬時停電検出手段26は、交流電力Vacの位相又は負荷電流といった制御情報に基づいた電流値を昇圧チョッパー制御手段21から取得し、取得した電流値を想定電流Isとして用いてもよい。この場合においても、瞬時停電検出手段26は、スイッチング電流Icが想定電流Isを複数回連続で下回ることを検出することで瞬時停電を判断してもよい。
 なお、スイッチング手段44のオンオフ動作におけるスイッチング周波数と、瞬時停電が判定されるまでの時間とは比例関係にある。このため、スイッチング手段44のスイッチング周波数が早くなるに従い、瞬時停電が判定されるまでの時間も早まる。電力変換装置1は、スイッチング周波数を10kHzと設定した場合、スイッチング周期は100μsとなる。このため電力変換装置1は、100μs間隔で瞬時停電を判定することができる。
 コンバーター40が動作している場合において、瞬時停電検出手段26は、平滑コンデンサー31の端子間電圧が交流電力のピーク電圧よりも下回る前に直流負荷30を停止させることによって、瞬時停電からの復電による突入電流を抑制することができる。突入電流を抑制する条件は、以下の式(1)として示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式(1)の条件を満たす場合には、突入電流を抑制することが可能となる。式(1)の条件を満たす場合、通常動作時の電流容量を考慮して、電力変換装置1を構成する部品が選定されればよいので、従来技術と比較して電力変換装置1のさらなる小型化及び低コスト化が実現される。
 実施の形態1にかかる電力変換装置1は、電子回路内における電圧値を監視し、電圧値と、予め定めた閾値との比較結果に応じて、平滑コンデンサー31の端子間電圧の低下を抑えることで、突入電流を抑制することができる。
実施の形態2.
 図4は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置1aのブロック図である。図4に示す電力変換装置1aは、交流電源10が出力する交流電力の交流電圧値を検出するゼロクロス検出手段28を備える。ゼロクロス検出手段28は、検出した交流電圧値を瞬時停電検出手段26に出力する。瞬時停電検出手段26は、予め定めた閾値と、ゼロクロス検出手段28から受け取った交流電圧値とを比較し、比較結果から瞬時停電の検出を行うことができる。検出した交流電力Vacがゼロクロス付近である場合は、瞬時電圧が低いためスイッチング電流Icが小さいのでスイッチング電流Icと想定電流Isとの比較が困難である。また、ゼロクロス付近である交流電力Vacは、瞬時電圧が低いので、電子回路に損傷を及ぼす原因とはならない。
 実施の形態2に係る電力変換装置1aでは、電子回路内における電圧値を監視し、電圧値と、予め定めた閾値との比較結果に応じて、平滑コンデンサー31の端子間電圧の低下を抑えることで、突入電流を抑制することができる。
実施の形態3.
 図5は、実施の形態3に係る電力変換装置1bのブロック図である。本発明の実施の形態3に係る電力変換装置1bは、実施の形態2に係る電力変換装置1aと比べて、交流電力検出手段27及び直流電圧検出手段29を備える点で異なる。交流電力検出手段27は、交流電源10の交流電力の電圧値を検出し、検出した電圧値を瞬時停電検出手段26に出力する。直流電圧検出手段29は、母線電圧Vdcを検出し、検出した母線電圧Vdcを瞬時停電検出手段26に出力する。実施の形態3に係る電力変換装置b1は、電源電流の値を制限する閾値である基準電圧Vrefと母線電圧Vdcとを比較する。基準電圧Vrefは、基準電圧生成手段(不図示)で生成され瞬時停電検出手段26に送出される。
 詳細には、瞬時停電検出手段26は、直流電圧検出手段29から入力された母線電圧Vdcが基準電圧Vrefを下回り、かつ、スイッチング電流Icが想定電流Isを下回ることで瞬時停電を判断し、直流負荷30を停止する。実施の形態3に係る電力変換装置1bは、母線電圧Vdcが基準電圧Vref及び想定電流Isより下回るか判断することにより、基準電圧Vrefを決める際のノイズ及び電圧リップルによる誤検知を考慮したマージンを不要とすることができる。また、実施の形態3に係る電力変換装置1bは、突入電流の大きさを決める要素である、復電直前の母線電圧Vdcと、復電時の交流電源10から供給される交流電力Vacとの差を用いて、基準電圧を定めてもよい。そのため、母線電圧Vdcが基準電圧Vref及び想定電流Isより下回るか判断する実施の形態3に係る電力変換装置1bは、スイッチング電流Icと想定電流Isとの比較のみで判断する場合に比べて、直流負荷30の停止時間を短縮化できるため、システムの連続した安定動作に貢献する。
 基準電圧Vrefは、交流電力Vacの電圧レベル,コンバーター40から出力される母線電圧Vdcの電圧レベル,及びコンバーター40が動作していない場合における母線電圧Vdcの電圧レベルから推定される交流電力Vacの電圧レベルの少なくとも1つに応じて設定してもよい。また、各実施の形態に係る電力変換装置が備えるコンバーター40が昇圧動作を停止しパッシブ動作に移行する場合にも、上述した各電圧レベルのうち少なくとも1つに応じて設定した基準電圧Vrefを用いてもよい。また、制御装置20における瞬時停電検出手段26は、コンバーター40が交流電力の整流動作を実行し、かつ交流電力の昇圧動作を実行していない場合、直流電圧検出手段29で検出した母線電圧Vdcに応じて交流電力の交流電圧を推定し、推定した交流電圧値に応じて基準電圧を設定してもよい。瞬時停電検出手段26は、コンバーター40が昇圧動作を停止し整流動作に移行する場合、直流電圧の昇圧レベルを段階的方式及び連続的方式のうち少なくとも1つの方式で下げ、いずれか又は両方の方式で下げた昇圧レベルに応じて基準電圧を設定してもよい。
 実施の形態3に係る電力変換装置1bは、電子回路内における電圧値を監視し、電圧値と、予め定めた閾値との比較結果に応じて、平滑コンデンサー31の端子間電圧の低下を抑えることで、突入電流を抑制することができる。ここで、図5に示すように、電力変換装置1bは、交流電力の交流電圧を検出する交流電力検出手段27を備え、瞬時停電検出手段26は、予め定められた閾値と、交流電力検出手段27で検出した交流電圧値とを比較し、交流電圧が以内である場合、スイッチング電流検出手段45で検出されたスイッチング電流が電流値以下であっても、直流負荷30の動作を継続させてもよい。
 図6、図7及び図8は、各実施の形態に係る電力変換装置が有するコンバーター40の変形例である。図6に示すコンバーター40aにおいて、交流電力は、昇圧チョッパー手段42に供給され、昇圧チョッパー手段42によって昇圧された直流電圧は整流ダイオード41に出力される点で、図1に示すコンバーター40の構成例と異なる。
 図7に示すコンバーター40bにおいて、交流電力は、整流ダイオード41に供給され、整流ダイオード41で整流された直流電圧は昇圧チョッパー手段42に入力される。ここで、昇圧チョッパー手段42は、リアクトル43a、リアクトル43b、スイッチング手段44a、スイッチング手段44b、スイッチング電流検出手段45a、スイッチング電流検出手段45b、昇圧ダイオード46a、及び昇圧ダイオード46bを備える。リアクトル43b及び昇圧ダイオード46bは、整流ダイオード41に対し直列に接続される。リアクトル43a及び昇圧ダイオード46aは、リアクトル43b及び昇圧ダイオード46bに対し並列に接続される。スイッチング電流検出手段45aは、整流ダイオード41のアノード及びスイッチング手段44aに接続され、スイッチング手段44aの一端はリアクトル43a及び昇圧ダイオード46a間に接続される。スイッチング電流検出手段45bは、整流ダイオード41のアノード及びスイッチング手段44bに接続され、スイッチング手段44bの一端はリアクトル43b及び昇圧ダイオード46b間に接続される。図8に示すコンバーター40cにおいて、交流電流は、リアクトル43に供給され、リアクトル43を介して整流ダイオード41で直流電圧が整流される。
 各実施の形態に係る電力変換装置1における整流ダイオード41又は昇圧ダイオード46には、SiC、GaN又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。
 各実施の形態に係る電力変換装置1における瞬時停電検出手段26は、コンバーター40内のスイッチング手段44を電源周期ごとに必要な回数、スイッチングさせることで瞬時停電を検出し、直流負荷30を停止させて突入電流を抑制してもよい。
 また、各実施の形態に係る電力変換装置1における瞬時停電検出手段26は、コンバーター40内のスイッチング手段44を、電源周期ごとに必要な回数、スイッチングさせることで、直流負荷30が停止している軽負荷の状態における母線電圧Vdcを昇圧させ、式(1)の条件を満たすことで、突入電流を抑制してもよい。
 各実施の形態に係る電力変換装置1は、交流電源10の代わりに直流電源を電源とする場合であっても、突入電流の抑制に用いることもできる。電源直流電源である電力変換装置は、整流動作が不要となるため、整流ダイオード41は不要である。
 以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略及び変更することも可能である。
 1 電力変換装置、10 交流電源、11 電流制限手段、12,44,44a,44b スイッチング手段、13 停止信号出力手段、14 解放信号出力手段、20 制御手段、21 昇圧チョッパー制御手段、22 スイッチング素子制御手段、23 直流負荷制御手段、26 瞬時停電検出手段、27 交流電力検出手段、28 ゼロクロス検出手段、29 直流電圧検出手段、30 直流負荷、31 平滑コンデンサー、40 コンバーター、41 整流ダイオード、42 昇圧チョッパー手段、43,43a,43b リアクトル、45,45a,45b スイッチング電流検出手段、46,46a,46b 昇圧ダイオード。

Claims (8)

  1.  交流電源から交流電力の供給を受け、前記交流電力を整流して予め定められた直流電圧に昇圧するコンバーターと、
     前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサーと、
     前記交流電源及び前記コンバーターとの間に接続され、前記交流電源から流れる交流電流を制限する電流制限手段と、
     前記電流制限手段と並列に接続される第1のスイッチング手段と、
     前記コンバーター、及び前記第1のスイッチング手段を制御する制御手段と、
    を備え、
     前記コンバーターは、
     前記交流電力を整流する整流手段、及び前記直流電圧を昇圧する昇圧手段を有し、
     前記昇圧手段は、
     リアクトルを介して交流電流を短絡させ、前記リアクトルを介して出力されたリアクトル電流を増加させる第2のスイッチング手段と、
     前記リアクトル電流を検出するスイッチング電流検出手段とを有し、
     前記制御手段は、
     前記交流電源が前記交流電力を出力している場合は、前記第1のスイッチング手段をオン動作させ、
     前記交流電源が停電した場合は、前記第1のスイッチング手段をオフ動作させ、
     前記第2のスイッチング手段のオン動作時において、前記スイッチング電流検出手段で検出されたスイッチング電流が、予め定められた電流値以下であると判定した場合、直流負荷の動作を停止させる
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2.  前記制御手段は、
     前記スイッチング電流検出手段で検出されたスイッチング電流が、予め定められた期間内に前記電流値以下となった回数が2回以上である場合、前記直流負荷の動作を停止させる
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3.  交流電力の交流電圧値を検出する交流電力検出手段をさらに備え、
     前記制御手段は、
     前記交流電圧値が予め定められた閾値以内である場合、前記スイッチング電流検出手段で検出されたスイッチング電流が前記電流値以下であっても、前記直流負荷の動作を継続させる
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
  4.  前記平滑コンデンサーの端子間電圧である母線電圧を検出する直流電圧検出手段をさらに備え、
     前記制御手段は、
     前記母線電圧が、前記直流電圧の電圧レベルに応じて設定された基準電圧以下であると判定した場合、かつ、前記スイッチング電流検出手段で検出されたスイッチング電流が前記電流値以下であると判定した場合、前記直流負荷の動作を停止させる
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  5.  前記制御装置は、
     前記コンバーターが前記交流電力の整流動作を実行し、かつ前記交流電力の昇圧動作を実行していない場合、前記直流電圧検出手段で検出した母線電圧に応じて前記交流電力の交流電圧を推定し、推定した交流電圧値に応じて前記基準電圧を設定する
    ことを特徴とする請求項3又は4に記載の電力変換装置。
  6.  前記制御装置は、
     前記コンバーターが昇圧動作を停止し整流動作に移行する場合、直流電圧の昇圧レベルを段階的方式及び連続的方式のうち少なくとも1つの方式で下げ、前記方式で下げた昇圧レベルに応じて前記基準電圧を設定する
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の電力変換装置。
  7.  前記コンバーターは、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  8.  前記ワイドバンドギャップ半導体は、SiC、GaN又はダイヤモンドである
    ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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