CN104604116B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

功率转换装置(10)包括：由开关元件所构成的逆变器(1)；设置于逆变器(1)的交流侧的绝缘变压器(6)；以及基于逆变器(1)的输出功率来决定开关频率(fsw)、以降低包含由绝缘变压器(6)所引起的损耗在内的损耗的开关频率决定部(24)。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种功率转换装置。
背景技术
一般，为了降低由半导体元件所构成的功率转换电路中的损耗，已知有各种各样的方法。
例如，公开有以下方法：对在交流侧设有电抗器来作为滤波器的功率转换装置，使用三电平逆变器，由此来将开关损耗降得比双电平逆变器要低，以降低功率变换装置的整体损耗(例如参照专利文献1)。
半导体元件的损耗包括稳态损耗和开关损耗。开关损耗随着开关频率的提高而增大。另一方面，稳态损耗几乎不受到开关频率的影响。于是，为了降低功率转换电路的整体损耗，已知有降低开关频率的方法。
然而，功率转换电路通常在交流侧为了进行滤波而设置电抗器或变压器等具有电感的设备。在这样的功率转换装置中，由这些设备所产生的损耗会导致降低开关频率并不一定会使功率转换装置的整体损耗降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第WO2010/044164A1号刊物
发明内容
本发明的目的在于，提供一种功率转换装置，该功率转换装置即使在交流侧设有具有电感的设备，也能有效降低整体损耗。
根据本发明观点的功率转换装置包括：功率转换电路，该功率转换电路由开关元件构成；设置于所述功率转换电路的交流侧的具有电感的设备；输出量测定单元，该输出量测定单元对从功率转换电路输出的输出量进行测定；以及开关频率决定单元，该开关频率决定单元基于由所述输出量测定单元所测得的输出量，来决定对所述开关元件进行开关的开关频率，以降低包含所述设备所引起的损耗在内的损耗。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的功率转换装置的结构的结构图。
图2是表示实施方式所涉及的开关频率决定部的结构的结构图。
图3是表示实施方式所涉及的频率决定表格的表格数据的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式)
图1是表示本发明的实施方式所涉及的功率转换装置10的结构的结构图。另外，对图中的相同部分标注相同标号并省略其详细说明，主要针对不同部分进行阐述。
功率转换装置10包括逆变器1、控制装置2、直流电源3、滤波电容器4、交流滤波器5、绝缘变压器6、交流电流检测器11、交流电压检测器12、直流电压检测器13及直流电流检测器14。功率转换装置10与交流功率***7相连接。
直流电源3向逆变器1提供直流功率。直流电源3只要能向逆变器1提供直流功率即可，可为任意电源。直流电源3例如为太阳能电池、充电电池、或燃料电池等。
逆变器1是进行PWM(脉宽调制，pulse width modulation)控制的逆变器。逆变器1将由直流电源3所提供的直流功率转换为与交流功率***7同步的交流功率。逆变器1将交流功率经由绝缘变压器6提供给交流功率***7。逆变器1的功率转换电路(逆变器电路)由开关元件构成。
开关元件是半导体元件。开关元件例如是IGBT(insulated gate bipolartransistor：绝缘栅双极型晶体管)。利用从控制装置2输出的栅极信号Gt来对开关元件进行驱动。由此，逆变器1进行功率转换。
滤波电容器4设置于逆变器1的直流侧。滤波电容器4对由直流电源3提供给逆变器1的直流功率进行滤波。
交流滤波器5具备电抗器51及电容器52。交流滤波器5对从逆变器1输出的高频进行去除。
交流电流检测器11是用于对逆变器1的输出电流Iiv进行测量的检测器。交流电流检测器11将所检测到的输出电流Iiv作为检测信号输出至控制装置2。
交流电压检测器12是用于对交流功率***7的***电压Vr进行测量的检测器。交流电压检测器12将所检测到的***电压Vr作为检测信号输出至控制装置2。
直流电压检测器13是用于对施加于逆变器1的直流侧的直流电压Vdc进行测量的检测器。直流電圧检测器13将所检测到的直流电压Vdc作为检测信号输出至控制装置2。
直流电流检测器14是用于对输入至逆变器1的直流侧的直流电流Idc进行测量的检测器。直流电流检测器14将所检测到的直流电流Idc作为检测信号输出至控制装置2。
控制装置2包括功率指令运算部21、电流控制部22、栅极信号生成部23、开关频率决定部24及载波产生部25。
功率指令运算部21基于由直流电压检测器13所检测到的直流电压Vdc、及由直流电流检测器14所检测到的直流电流Idc，来对用于控制功率转换装置10的输出功率的功率指令值Pr进行运算。功率指令运算部21将所算得的功率指令值Pr输出至电流控制部22。
电流控制部22基于由功率指令运算部21所算得的功率指令值Pr、由交流电流检测器11所检测到的输出电流Iiv、及由交流电压检测器12所检测到的***电压Vr，来对用于控制逆变器1的输出电压的电压指令值Vivr进行运算。电流控制部22将算得的电压指令值Vivr输出至栅极信号生成部23。
开关频率决定部24基于由交流电流检测器11所检测到的输出电流Iiv、由交流电压检测器12所检测到的***电压Vr、及由直流电压检测器13所检测到的直流电压Vdc，来决定开关频率fsw(即载波频率)。开关频率决定部24将所决定的开关频率fsw输出至载波产生部25。
载波产生部25产生与由开关频率决定部24所决定的开关频率fsw相对应的载波Wcar。载波产生部25将所产生的载波Wcar输出至栅极信号生成部23。
栅极信号生成部23基于由电流控制部22所算得的电压指令值Vivr及从载波产生部25所产生的载波Wcar，来生成用于对逆变器1的构成功率转换电路的开关元件进行开关的栅极信号Gt。栅极信号生成部23利用所生成的栅极信号Gt，以开关频率fsw来对开关元件进行驱动(开关)。由此，逆变器1以追随电压指令值Vivr的方式输出电压。
接着，对由开关频率决定部24来决定开关频率fsw的方法进行说明。
首先，对功率转换装置10中的损耗进行说明。
损耗包括固定损耗、比例损耗、及平方损耗。所谓固定损耗是指不直接影响通电电流的变化的损耗。所谓比例损耗是指与通电电流成正比地增加的损耗。所谓平方损耗是指与通电电流的平方成正比地增加的损耗。
固定损耗包括变压器(例如绝缘变压器6)的铁损、电抗器(例如电抗器51)的铁损、及冷却风扇或构成功率转换装置10的各种设备的控制电源等。铁损是将铁心进行磁化时所产生的电能的损耗。铁损是磁滞损耗或涡流损耗等。
比例损耗是与通电电流成正比的损耗。比例损耗主要是开关元件的开关损耗。
平方损耗是与通电电流的平方成正比的损耗。平方损耗是开关元件的导通损耗、母线的导通损耗、熔断器等各种元件的导通损耗、变压器的铜损、或电抗器的铜损等。铜损是由绕组等导线的电阻所引起的电能的损耗。
具有交流滤波器电路的电感的设备的固定损耗与逆变器1的输出电流Iiv的高频分量成正比地增加。另外，将开关频率fsw设得越高，输出电流Iiv的高频分量越能得以抑制。因此，将开关频率fsw设得越高，变压器的铁损及电抗器的铁损的高频分量越得以减小，因此变压器的铁损及电抗器的铁损越得以减小。另外，逆变器1的直流电压Vdc越是增加，这些设备的固定损耗越得以增加。
图2是表示实施方式所涉及的开关频率决定部24的结构的结构图。
开关频率决定部24包括输出功率运算部241、频率决定表格242。
输出功率运算部241基于由交流电流检测器11所测量到的输出电流Iiv、及由交流电压检测器12所测量到的***电压Vr，来对功率转换装置10的输出功率进行计算。输出功率运算部241将所算得的输出功率输出至频率决定表格242。
频率决定表格242基于由直流电压检测器13所测量到的直流电压Vdc、及由输出功率运算部241所算得的功率转换装置10的输出功率，来决定开关频率fsw。
图3是表示实施方式所涉及的频率决定表格242的某个直流电压Vdc下的表格数据的曲线图。在图3中，示出了各开关频率fsw1～fsw3的输出功率与损耗之间的关系。
这里，设频率决定表格242选择三个开关频率fsw1、fsw2、fsw3中的一个频率。另外，设频率按照第一开关频率fsw1、第二开关频率fsw2、第三开关频率fsw3的顺序降低。
在频率决定表格242中，预先设定有表格数据。考虑上述功率转换装置10的各种各样的损耗来决定表格数据。若直流电压Vdc发生变化，则频率决定表格242对图3所示的表格数据进行修正或变更。由此，频率决定表格242准备与直流电压Vdc相对应的表格数据。
频率决定表格242基于功率转换装置10的输出功率，利用图3所示的表格数据来决定开关频率fsw。在输出功率小于P1[％]的情况下，频率决定表格242选择第一开关频率fsw1。在输出功率大于等于P1[％]小于P2[％]的情况下，频率决定表格242选择第二开关频率fsw2。在输出功率大于等于P2[％]的情况下，频率决定表格242选择第三开关频率fsw3。
根据本实施方式，基于功率转换装置10的输出功率，来决定开关频率fsw，从而能提供一种即使在交流侧设有具有电感的设备、也能有效降低整体损耗的功率转换装置。
这里，作为具有电感的设备，在逆变器1的交流侧只设有电感较小的电抗器，在这种情况下，相对于开关元件的开关损耗，由该电抗器所引起的损耗较小。在这种情况下，仅通过降低开关频率fsw就能降低功率转换装置10的整体损耗。然而，在逆变器1的交流侧设有电感较大的设备的情况下，相对于开关元件的开关损耗，由该设备所引起的损耗变得无法忽视。在包括这样的设备的功率转换装置10的情况下，仅降低开关频率fsw不一定能降低整体损耗。这种情况多发生在逆变器1的输出并非100％输出的情况。
即使在这种情况下，根据本实施方式所涉及的功率转换装置10，由于为了相对输出功率降低损耗而决定最合适的开关频率fsw，因此，能有效降低损耗。
此外，在实施方式中，基于功率转换装置10的输出功率及逆变器1的直流电压Vdc，来决定开关频率fsw，但并不局限于此。也可以使用功率转换装置10的输出电流来代替功率转换装置10的输出功率。即，将***电压Vr处理成一定，从而能用输出电流来形成与实施方式相同的结构。同样，将直流电压Vdc处理成一定，从而即使不使用直流电压Vdc，也能形成与实施方式相同的结构。
在实施方式中，采用了为降低损耗而选择三个开关频率fsw1、fsw2、fsw3中的一个开关频率的结构，但并不局限于此。若为两个以上，则也可从几个开关频率中进行选择。另外，也可以使用输出电压、输出电流、或直流电压Vdc来计算最合适的开关频率fsw以降低损耗，而不是选择开关频率fsw。
在实施方式中，用简单的结构示出了决定与逆变器1的输出相对应的电压指令值Vivr的结构的一个示例，但也可以以任意方式来决定与逆变器1的输出相对应的指令值。例如，在直流电源3是太阳能电池的情况下，也可以基于通过最大功率点跟踪(MPPT，maximumpower point tracking：)控制来决定的直流功率指令值或直流电压指令值，来决定与逆变器1的输出相对应的指令值。
在实施方式中，对在逆变器1的交流侧设置交流滤波器5和绝缘变压器6来作为具有电感的设备的结构进行了说明，但并不局限于此。例如，也可以设置互连电抗器来代替绝缘变压器6，也可以不设置这些设备。另外，绝缘变压器6或互连电抗器也可以与交流滤波器5的电抗器51一体化。
另外，本发明并不局限于上述实施方式本身，在实施阶段能够在不脱离其要点的范围内对构成要素进行变形以使其具体化。此外，通过将上述实施方式中所公开的多个构成要素进行适当组合，从而能够形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的所有构成要素中删除几个构成要素。另外，也可以将不同的实施方式中的结构要素进行适当组合。

Claims (6)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
功率转换电路，该功率转换电路由开关元件构成；
设置于所述功率转换电路的交流侧的具有电感的设备；
输出量测定单元，该输出量测定单元对从所述功率转换电路输出的输出量进行测定；
直流电压测定单元，该直流电压测定单元测定所述功率转换电路的直流电压；以及
开关频率决定单元，该开关频率决定单元基于由所述输出量测定单元所测得的输出量运算所述功率转换电路的输出功率，并基于所述输出功率与所述直流电压与包含所述设备所引起的损耗在内的损耗的关系，来决定对所述开关元件进行开关的开关频率，以降低所述损耗，
所述开关频率决定单元在所述功率转换电路的输出功率低于预先确定的第一规定功率时选择第一开关频率，在所述功率转换电路的输出功率在所述第一规定功率以上时选择比所述第一开关频率低的第二开关频率，
所述第一规定功率是在以包含所述设备的固定损耗在内的所述设备的损耗为纵轴、以所述功率转换电路的输出功率为横轴的曲线图中，表示所述第一开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线与表示所述第二开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线的交点所对应的输出功率的值。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述开关频率决定单元在所述功率转换电路的输出功率在所述第一规定功率以上且小于预先确定的高于所述第一规定功率的第二规定功率时选择所述第二开关频率，在所述功率转换电路的输出功率在所述第二规定功率以上时选择比所述第二开关频率低的第三开关频率，
所述第二规定功率是在以包含所述设备的固定损耗在内的所述设备的损耗为纵轴、以所述功率转换电路的输出功率为横轴的曲线图中，表示所述第二开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线与表示所述第三开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线的交点所对应的输出功率的值。
3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述开关频率决定单元具有将小于所述第一规定功率的功率与所述第一开关频率对应起来、并将所述第一规定功率以上的功率与所述第二开关频率对应起来的表格，
所述表格具有分别与多个直流电压对应的数据，
在与所述直流电压测定单元测定到的直流电压相对应的所述表格的所述数据中，选择所述第一开关频率和所述第二开关频率中、与所述表格的所述数据上由所述输出量测定单元测定到的所述功率转换电路的输出功率相对应的频率作为所述开关频率。
4.一种功率转换电路的控制方法，该功率转换电路的控制方法是对在交流侧设有具有电感的设备且由开关元件所构成的功率转换电路进行控制的控制方法，其特征在于，
所述功率转换电路的控制方法包含以下处理：
对从所述功率转换电路输出的输出量进行测定，
对所述功率转换电路的直流电压进行测定，
基于所测得的输出量运算所述功率转换电路的输出功率，并基于所述输出功率与所述直流电压与包含所述设备所引起的损耗在内的损耗的关系来决定对所述开关元件进行开关的开关频率，以降低所述损耗，
在所述功率转换电路的输出功率低于预先确定的第一规定功率时选择第一开关频率，在所述功率转换电路的输出功率在所述第一规定功率以上时选择比所述第一开关频率低的第二开关频率，
所述第一规定功率是在以包含所述设备的固定损耗在内的所述设备的损耗为纵轴、以所述功率转换电路的输出功率为横轴的曲线图中，表示所述第一开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线与表示所述第二开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线的交点所对应的输出功率的值。
5.如权利要求4所述的功率转换电路的控制方法，其特征在于，
所述开关频率的决定是在所述功率转换电路的输出功率在所述第一规定功率以上且小于预先确定的高于所述第一规定功率的第二规定功率时选择所述第二开关频率，在所述功率转换电路的输出功率在所述第二规定功率以上时选择比所述第二开关频率低的第三开关频率，
所述第二规定功率是在以包含所述设备的固定损耗在内的所述设备的损耗为纵轴、以所述功率转换电路的输出功率为横轴的曲线图中，表示所述第二开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线与表示所述第三开关频率下的所述损耗与所述输出功率的关系的线的交点所对应的输出功率的值。
6.如权利要求4或5所述的功率转换电路的控制方法，其特征在于，
所述开关频率的决定具有将小于所述第一规定功率的功率与所述第一开关频率对应起来、并将所述第一规定功率以上的功率与所述第二开关频率对应起来的表格，
所述表格具有分别与多个直流电压对应的数据，
在与所述直流电压测定单元测定到的直流电压相对应的所述表格的所述数据中，选择所述第一开关频率和所述第二开关频率中、与所述表格的所述数据上由所述输出量测定单元测定到的所述功率转换电路的输出功率相对应的频率作为所述开关频率。
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