CN105981280B - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

电力变换电路(2)将多相交流电源作为输入，且具有与该多相交流电源的每个相连接的多个双向开关。开关控制电路(4)控制双向开关的状态，来切换与从电力变换电路(2)向负载侧输出的相间电压相关的多相交流电源的2个相的组合。谐振电路(3)连接于电力变换电路的输出侧。而且，在向负载侧输出相间电压的2个相的组合的切换时，开关控制电路(4)通过软开关进行与该切换相关的双向开关的状态切换。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及电力变换装置，该电力变换装置将多相交流电源作为输入而从交流直接变换成交流。
背景技术
以往，有一种电力变换装置(矩阵变换器)，其将多相交流电源作为输入而从交流直接变换成交流(参照非专利文献1、2等)。矩阵变换器使与作为输入的多相交流电源的各相连接的双向开关进行接通/断开，来切换与向负载侧输出的相间电压相关的2个相的组合，由此在不变换成直流的情况下向负载侧输出交流。矩阵变换器根据向负载侧输出的交流的电压和频率来控制双向开关的切换。
关于矩阵变换器，因为从交流直接变换成交流，因此与使用了从交流变换成直流后再次变换成交流的逆变器的电力变换装置相比变换损耗较小。另外，矩阵变换器因为不需要逆变电路，因此在小体积化的方面也优越。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1:http://www.yaskawa.co.jp/technology/tech03_m.html
非专利文献2:http://www.fujielectric.co.jp/about/news/06030601/
发明内容
发明要解决的课题
但是，矩阵变换器有时通过硬开关(hard switching)来进行与双向开关的接通/断开相关的切换。双向开关由绝缘栅双极晶体管(IGBT)等功率半导体器件构成。当通过硬开关进行与双向开关的接通/断开相关的切换时，在功率半导体器件中产生的开关损耗变大，使变换效率降低。另外，功率半导体器件所承受的压力也较大。
另外，当开关损耗较大时，随着向负载侧输出的输出电压的频率变高而变换效率降低，因此，难以进行在实用的范围内的输出电压的高频化。
本发明的目的在于提供一种电力变换装置，该电力变换装置抑制开关损耗来提高变换效率，并且降低双向开关所承受的压力来提高可靠性。
用于解决课题的手段
本发明的电力变换装置为了实现上述目的而具有电力变换电路、开关控制电路以及谐振电路。
电力变换电路将多相交流电源作为输入，且具有与该多相交流电源的每个相连接的多个双向开关。开关控制电路控制双向开关的状态，来切换与从电力变换电路向负载侧输出的相间电压相关的多相交流电源的2个相的组合。谐振电路连接于电力变换电路的输出侧。
而且，在向负载侧输出相间电力的2个相的组合的切换时，开关控制电路通过软开关(soft switching)进行与该切换相关的双向开关的状态切换。软开关是指通过在开关的切换时机(timing)使电流或电压中的任一个从零开始缓慢上升来降低根据电压电流的时间积分而计算的电力损耗的技术。
在该结构中，设置了谐振电路，由此电力变换电路的输出电流的相位相对于输出电压的相位发生延迟，因此，能够通过基于零电流序(ゼル電流シーケンス)(ZCS)的软开关进行双向开关的状态切换。因而，能够抑制开关损耗来提高变换效率，并且能够降低双向开关所承受的压力来提高可靠性。
而且，通过使电力变换电路的输出电压的频率与谐振电路的谐振频率大致相同，从而能够进行在输出电压的实用的范围内的高频化。即，根据电力变换电路的输出电压的频率来决定谐振电路的谐振频率即可。
另外，也可以将电容器与双向开关并联连接。因为该电容器作为缓冲(snubber)电容器发挥功能，因此能够通过基于零电压序(ゼル電圧シーケンス)(ZVS)的软开关进行双向开关的状态切换。因而，能够抑制开关损耗来提高变换效率，并且能够降低双向开关所承受的压力来提高可靠性。
另外，双向开关构成为具有反并联连接的2个开关元件，且在开关元件的集电极与发射极之间连接有电容器，在向负载侧输出相间电力的2个相的组合的切换时，开关控制电路通过软开关依次对与该切换相关的双向开关所具有的开关元件进行状态的切换。
发明效果
根据本发明，能够抑制开关损耗来提高变换效率，并且能够降低双向开关所承受的压力来提高可靠性。
附图说明
图1是示出电力变换装置的电路结构的概要图。
图2是示出作为输入的三相交流电源的各相的电压波形的图。
图3是示出区间D中的各开关元件的控制模式的概要图。
图4是示出区间D中的电力变换电路的输出电压的波形的图。
图5是示出电力变换电路的输出电压与输出电流之间的关系的图。
图6的(A)示出电力变换电路的输出侧，图6的(B)示出图6的(A)的等效电路。
图7的(A)、(B)、(C)是示出电力变换电路的换相(転流)动作中的开关元件的状态变化的图。
图8的(A)、(B)是示出电力变换电路的换相动作中的开关元件的状态变化的图。
图9是示出电力变换电路的换相动作中的开关元件的状态变化的时间图。
具体实施方式
以下，对作为本发明的实施方式的电力变换装置进行说明。
图1是示出本例的电力变换装置的电路结构的概要图。该电力变换装置1具有电力变换电路2、谐振电路3以及开关控制电路4。
该电力变换装置1将三相交流电源作为输入而输出单相的交流电压。电力变换装置1从交流直接变换成交流。
本例的电力变换电路2具有6个双向开关。对作为输入的三相交流电源的各相并联连接有2个双向开关。双向开关由2个开关、2个二极管以及1个电容器构成，其中该2个开关具有不进行反向导通的结构。6个双向开关是相同的结构。
对该双向开关进行说明。在此，以下述双向开关为例进行说明：该双向开关由图1所示的开关元件S1、S2、二极管D1、D2以及电容器C1构成。开关元件S1、S2是具有不进行反向导通的结构的半导体开关，例如是绝缘栅极型双极晶体管(IGBT)或MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应管)。在该双向开关中，反并联连接了2个开关元件S1、S2。另外，对开关元件S1、S2的集电极正向连接有二极管D1、D2。而且，在反并联连接的开关元件S1、S2的集电极与发射极之间连接有电容器C1。此外，图1所示的其他5个双向开关也是相同的电路结构。电容器C1～C6作为缓冲电容器发挥功能。
该电力变换电路2是矩阵变换器(MC)。电力变换电路2输出作为输入的三相交流电源的任意2个相的相间电压。电力变换电路2输出的相间电压的三相交流电源的2个相的选择通过开关元件S1～S12的接通/断开来进行。后述的开关控制电路4控制开关元件S1～S12的接通/断开。
谐振电路3是串联连接电容器C31与线圈L31的LC电路。该谐振电路3与电力变换电路2的输出连接。根据从电力变换电路2输出的交流电压的频率，来决定谐振电路3的谐振频率。具体来讲，关于谐振电路3，决定电容器C31和线圈L31的大小，以使得也包含后述的变压器5的电抗分量的谐振频率与从电力变换电路2输出的交流电压的频率大致相同。
开关控制电路4分别对电力变换电路2所具有的开关元件S1～S12的接通/断开状态进行控制，由此控制电力变换电路2中的换相动作。换相动作是如公知的那样，将电流从电流流动的任意的相切换到其他相的动作。开关控制电路4对各开关元件S1～S12施加分别生成的门信号(gate signal)。开关控制电路4将作为输入的三相交流电源的各相电压或负载电路10的两端电压等作为输入，并根据这些电压，生成针对各开关元件S1～S12的门信号。开关控制电路4以与从电力变换电路2输出的交流电压的频率对应的开关频率来控制开关元件S1～S12。
电力变换装置1的输出连接于变压器5的一次侧。另外，在变压器5的二次侧连接有负载电路10。
图2是示出作为输入的三相交流电源的各相的电压波形的图。各相的电压波形er、es、et的相位各偏移2/3π(120°)。开关控制电路4按照利用各相的电压的大小关系来分类的6个模式的每个区间(图2所示的A～F的区间)，以与该区间对应的控制模式来控制电力变换电路2的6个双向开关的状态(开关元件S1～S12的接通/断开状态)。即，开关控制电路4的双向开关的状态的控制模式(开关元件S1～S12的接通/断开状态的控制模式)是按照利用各相的电压的大小关系来分类的6个模式的每个区间而不同的。
图3是示出图2所示的区间D中的开关元件S1～S12的控制模式的图。该区间D是et≥er≥es的状态。在图3中，图示为在相同的时机使构成双向开关的2个开关元件进行接通/断开，但是，实际上为了防止电源短路且确保负载电流回流的路径，使构成双向开关的2个开关元件进行接通/断开的时机不同(后面说明详细情况)。在图3中以阴影部分示出开关元件S1～S12的接通区间。
如图3所示，开关控制电路4重复进行开关元件S1～S12的接通/断开的切换(重复进行T1～T6中的开关元件S1～S12的接通/断开的切换)，以使得从电力变换电路2输出的相间电压按照(et-er)→(et-es)→(er-es)→(er-et)→(es-et)→(es-er)→(et-er)…的顺序重复变化。电力变换电路2的输出电压成为与图3所示的T1～下一个T1之前的时间对应的频率。换言之，开关控制电路4基于根据从电力变换电路2输出的相间电压(输出电压(Vout)的频率来决定的时间，决定T1～下一个T1之前的时间(1个周期的时间)。另外，T1～T6的各时机具有某种程度的时间宽度。
T1～T6是使任意的双向开关的状态(开关元件S1～S12的接通/断开状态)变化的时机。即，T1～T6是对从电力变换电路2输出的相间电压的组合进行切换的时机而不是时刻。保持双向开关的状态的时间(T1-T2间、T2-T3间、T3-T4间、T4-T5间、T5-T6间、T6-T1间)既可以是恒定的时间、也可以不是恒定的时间。在图3中，将这些时间设为恒定的时间进行图示。
图4是示出图2所示的区间D中的电力变换电路的输出电压的波形的图。作为该区间D中的电力变换电路2的输出电压的相间电压由[数学式1]表示。
[数学式1]
其中，V是电源电压，θL是er的相位角
图5是示出电力变换电路的输出电压与输出电流之间的关系的图。如上所述，对电力变换电路2的输出连接有谐振电路3。因此，电力变换电路2的输出电流(Iout)的相位如图5所示那样相对于电力变换电路2的输出电压(Vout)延迟与相位角θ相当的时间。
此外，在该图5中，与图3不同，保持双向开关的状态的时间(T1-T2间、T2-T3间、T3-T4间、T4-T5间、T5-T6间、T6-T1间)不是恒定的时间。但是，图3所示的T1～T6与图5所示的T1～T6对应。
图6的(A)示出电力变换电路的输出侧，图6的(B)示出图6的(A)的等效电路。关于谐振电路3，因为在谐振状态下使用，因此特性阻抗是[数学式2]。
[数学式2]
另外，谐振频率f0是[数学式3]。
[数学式3]
而且，谐振电路3的衰减系数ζ是[数学式4]。
[数学式4]
在谐振电路3中，使谐振频率f0与电力变换电路2的输出电压(Vout)的频率大致相同，因此，决定线圈L31和电容器C31的值，以使得由[数学式3]表示的谐振频率f0与电力变换电路2的输出电压(Vout)的频率大致相同，且由[数学式4]表示的衰减系数ζ变小即可。
返回图5，电力变换电路2的输出电流(Iout)相对于电力变换电路2的输出电压(Vout)的相位延迟θ和延迟时间tdelay是[数学式5]。
[数学式5]
其中，
θ[rad]：电流延迟相位
Ts[sec]：电流延迟时间
ωo[Hz]：谐振频率
L31[H]：谐振电抗线圈
C31[F]：谐振电容器
R[Ω]：变压器二次侧负载
在此，对与电力变换电路2的换相相关的由开关控制电路4进行的双向开关的状态的切换动作进行说明。在此，以图3和图5所示的时机T5中的双向开关的状态的切换动作为例进行说明。
在该时机T5中，将开关元件S1、S2从接通状态切换为断开状态，将开关元件S3、S4从断开状态切换为接通状态。如上所述，切换各开关元件S1～S4的状态的时机不是相同的时机。
图7和图8是示出电力变换电路的换相动作中的开关元件的状态变化的图。另外，图9是示出电力变换电路的换相动作中的开关元件的状态变化的时间图。开关控制电路4在以下示出的t1、t2、t3以及t4的4个时机逐个地切换开关元件S1～S4的状态。图3和图5所示的T5的时机相当于t1～t4的区间。
图9所示的Vcr是在开关元件S1、S2的集电极与发射极之间连接的电容器C1的两端电压，Vcs是在开关元件S3、S4的集电极与发射极之间连接的电容器C2的两端电压。另外，Ir是流过R相的电流，Is是流过S相的电流。
首先，开关控制电路4在图3和图5所示的刚刚变成时机T5之后的时机t1，将开关元件S4从断开状态切换成接通状态。在该开关元件S4的状态的切换时，因为电流未流过S相(Is＝0)，因此按照零电流序(ZCS)进行t1时的开关元件S4的状态的切换。即，t1时的开关元件S4的状态的切换是通过软开关进行的。另外，由于使开关元件S4成为了接通状态，因此，流过S相的电流Is增加，与此同时，流过R相的电流Ir减少。另外，在该时机，开始电容器C2的放电。
接着，开关控制电路4在时机t2将开关元件S2从接通状态切换为断开状态。在该开关元件S2的状态的切换时，因为电容器C1的两端电压是0V，因此按照零电压序(ZVS)进行t2时的开关元件S2的状态的切换。即，t2时的开关元件S2的状态的切换是通过软开关进行的。另外，由于使开关元件S2成为了断开状态，因此，R相的电流Ir成为0，并且开始电容器C1的充电。
开关控制电路4在时机t3将开关元件S3从断开状态切换为接通状态。在该开关元件S3的状态的切换时，因为电容器C2的两端电压是0V，因此按照零电压序(ZVS)进行t3时的开关元件S3的状态的切换。即，t3时的开关元件S3的状态的切换是通过软开关进行的。
此外，根据谐振电路3的谐振频率和负载电路10的负载的大小，将电容器C1～C6的电容设定成在t1～t3之前的期间完成放电、在t2～t3之前的期间完成充电的大小。实际上，将电容器C1～C6的电容设定成在t2～t3之前的期间完成充放电的大小。
开关控制电路4在时机t4将开关元件S1从接通状态切换为断开状态。在该开关元件S1的状态的切换时，因为电流未流过R相(Ir＝0)，因此按照零电流序(ZCS)进行t4时的开关元件S4的状态的切换。即，t4时的开关元件S1的状态的切换是通过软开关进行的。
这样，与电力变换电路2的换相动作相关的开关元件S1～S12的状态的切换是全部通过软开关进行的，而不是通过硬开关进行的。另外，开关控制电路4在t1、t2、t3以及t4的4个时机逐个地切换开关元件S1～S4的状态，由此防止电源短路以及确保负载电流的回流路径。
另外，在与图7～图9相关的说明中，说明了特定的时机T5中的与电力变换电路2的换相动作相关的开关元件S1～S12的状态的切换，但是，在其他时机T1、T2、T3、T4、T6中，与电力变换电路2的换相动作相关的开关元件S1～S12的状态的切换也是通过同样的切换方法而全部通过软开关进行的，而不是通过硬开关进行的。
因而，能够抑制开关损耗来提高变换效率。另外，因为能够降低开关元件S1～S12所承受的压力，因此能够实现可靠性的提高。
另外，在上述的说明中，将电力变换电路2的输出设为单相的交流电压，但也可以设为多相的交流电压。例如，在将输出设为U、V、W的三相的交流电源的情况下，在电力变换电路2上追加3个与作为输入电源的三相交流电源的各相R、S、T连接的双向开关(电力变换电路2具有合计9个双向开关)，且将使相位各偏移2/3π(120°)的相间电压作为U、V、W的三相而进行输出即可。在这种情况下，谐振电路3设置于U、V、W的各相。
标号说明
1：电力变换装置；2：电力变换电路；3：谐振电路；4：开关控制电路；5：变压器；10：负载电路；S1～S12：开关元件；D1～D12：二极管；C1～C6、C31：电容器；L31：线圈。

Claims (4)

1.一种电力变换装置，该电力变换装置具有：
电力变换电路，其将多相交流电源作为输入，且具有与该多相交流电源的每个相连接的多个双向开关；
开关控制电路，其控制所述双向开关的状态，来切换与从所述电力变换电路向负载侧输出的相间电压相关的所述多相交流电源的2个相的组合；以及
谐振电路，其连接于所述电力变换电路的输出侧，
在向负载侧输出相间电压的2个相的组合的切换时，所述开关控制电路通过软开关进行与该切换相关的所述双向开关的状态切换，
所述谐振电路的谐振频率与如下频率相同：该频率是通过由所述开关控制电路对所述双向开关进行的状态控制而从所述电力变换电路向负载侧输出的相间电压的频率。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中，
所述电力变换电路具有与所述双向开关并联连接的电容器。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其中，
所述双向开关具有反并联连接的2个开关元件，在所述开关元件的集电极与发射极之间连接有所述电容器。
4.根据权利要求3所述的电力变换装置，其中，
在向负载侧输出相间电压的2个相的组合的切换时，所述开关控制电路通过软开关依次对与该切换相关的所述双向开关所具有的所述开关元件进行状态的切换。
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