JP2004254355A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電源1と、この直流電源1に第1の平滑コンデンサ2を介して接続されたインバータと、このインバータを構成する半導体スイッチング素子3、4の近傍に配置された第2の平滑コンデンサ9とで電力変換装置を構成し、この第2の平滑コンデンサ9の静電容量を前記第1の平滑コンデンサ1の静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下とする。低周波リプルは第1の平滑コンデンサ2で、高周波リプルは第2の平滑コンデンサ9で吸収するように分担させる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置に係わり、特に改良されら平滑コンデンサを有する電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電力変換装置は、例えば特許文献1の特に図5に示されているように、直流電源から平滑コンデンサを介して半導体スイッチング素子をブリッジ接続したインバータにより直流を交流に変換するように構成している。平滑コンデンサからインバータに給電する回路にはインダクタンスがあるが、このインダクタンスによるスイッチング時のサージ電圧を吸収するために、半導体スイッチング素子と並列にスナバコンデンサが設けられている。
【0003】
平滑コンデンサには電解コンデンサ、フィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサが使用され、一方スナバコンデンサには、特性的に高周波までインピーダンスが低く周波数特性の良いフィルムコンデンサあるいはセラミックコンデンサが使用されるのが普通である。また、スナバコンデンサの静電容量は数μF以下に選定するのが一般的である。
【0004】
以上のような従来の電力変換器では、半導体スイッチング素子がオン/オフすることによって平滑コンデンサにはリプル電流が流れる。このリプル電流には、いろいろな周波数成分が含まれているが、従来のスナバコンデンサでは静電容量が数μF以下と小さいため、このリプル電流をほとんど吸収することができなかった。
【0005】
従って、このリプル電流は平滑コンデンサによって吸収することになるが、このために平滑コンデンサが必要以上に大きくなることがあった。
【0006】
例えば、平滑コンデンサに電解コンデンサを使用した場合、一般的に静電容量は大きくできるが、フィムルコンデンサなどに比べて単位静電容量当りの許容リプル電流が小さいため、リプル電流吸収のための電源平滑機能を満たすには必要以上の静電容量になり、静電容量としては過剰であった。また、電解コンデンサは周波数特性も劣るので、スナバコンデンサが必須となることが多かった。
【0007】
このため、特許文献1に記載されているように平滑コンデンサとしてフィルムコンデンサあるいはセラミックコンデンサを使用することが考えられる。しかしながら、この場合は、単位静電容量当りの許容リプル電流は大きくできるが、単位体積当りの静電容量が小さいので、必要な静電容量を確保するために大形になってしまい、結果的に許容リプル電流としては過剰となる。これにより、周波数特性の良いフィルムコンデンサあるいはセラミックコンデンサなどを使用した場合でも、物理的なサイズが大きくなり、この結果導体のインダクタンスを小さくすることができず、スナバコンデンサが必要になることが多かった。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−197753号公報(第1−6頁、図1、図5)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来は平滑コンデンサとして使用するコンデンサの特性を十分に活かすことができず、スナバコンデンサも必要となって、電力変換装置として必要以上に大形,高価になっていた。また、平滑コンデンサにセラミックコンデンサのみを用いる場合でも、その容量を大きくとる必要があり、やはり電力変換装置として必要以上に大形、高価になっていた。
【0010】
従って、本発明は、平滑コンデンサを必要十分に小さくし、小形で安価な電力変換装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の発明は、直流電源と、この直流電源に第1の平滑コンデンサを介して接続されたインバータと、このインバータを構成する半導体スイッチング素子の近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴としている。
【0012】
また、本発明の第2の発明は、直流電源と、この直流電源に第1の平滑コンデンサを介して接続された降圧チョッパと、この降圧チョッパを構成する半導体スイッチング素子の近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴としている。
【0013】
また、本発明の第3の発明は、直流電源と、この直流電源に昇圧チョッパを介して接続された第1の平滑コンデンサと、前記昇圧チョッパを構成する半導体スイッチング素子の近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴としている。
【0014】
更に、本発明の第4の発明は、直流電源と、この直流電源に共振型DC/DCコンバータ及びリアクトルを介して接続された第1の平滑コンデンサと、前記共振型DC/DCコンバータの出力側ダイオードの近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴としている。
【0015】
本発明によれば、第2の平滑コンデンサに高周波リプル電流を吸収させ、第1の平滑コンデンサに低周波リプル電流を吸収させるようにするので、平滑コンデンサを必要十分に小さくし、小形で安価な電力変換装置を提供することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下に本発明による電力変換装置の第1の実施の形態を図1乃至図3を参照して説明する。図1は本発明による電力変換装置の第1の実施の形態を示す回路構成図である。
【0017】
直流電源1は第1の平滑コンデンサ2を介してインバータ用にブリッジ接続された半導体スイッチング素子3及び4に直流電力を供給し、この半導体スイッチング素子3及び4をオン/オフ制御することにより、直流を交流に変換している。尚、図1では簡単のため、インバータの1相分だけを図示している。
【0018】
直流線路にはインダクタンスが必ず存在するが、直流電源側の正側、負側の等価インダクタンスを夫々リアクトル5、6とし、インバータ側の正側、負側の等価インダクタンスを夫々リアクトル7、8とする。また、インバータには半導体スイッチング素子3及び4の直列回路に並列に第2の平滑コンデンサ9が接続されている。
【0019】
ここで、第2の平滑コンデンサ9の静電容量は、第1の平滑コンデンサ2の静電容量よりも小さく選定する。また、第2の平滑コンデンサ9の高周波インピーダンスは、第1の平滑コンデンサ2の高周波インピーダンスよりも小さく選定する。これは、例えば、第2の平滑コンデンサ9には静電容量10μF以上のフィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサを使用し、第1の平滑コンデンサ2にはアルミ電解コンデンサを用いることで実現できる。
【0020】
以下に図1に示した本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置の動作及び効果について、図2及び図3を参照しながら説明する。
【0021】
図2は、図1で示した回路をインバータから流出するリプル電流を解析するために変形した等価回路である。リプル電流を模擬する周波数fの電流源40は、第2の平滑コンデンサ9に流れ込む電流i0、第1の平滑コンデンサ2に流れ込む電流i1、及び直流電源1に流れ込む電流i2の3個の電流ループを形成する。ここで、リアクトル5aはリアクトル5とリアクトル6のインダクタンス分の和、抵抗5bはリアクトル5とリアクトル6の持つ抵抗分の和、またリアクトル7aはリアクトル7とリアクトル8のインダクタンス分の和、抵抗7bはリアクトル7とリアクトル8の持つ抵抗分の和である。
【0022】
今、第1の平滑コンデンサ2のキャパシタンスをC1、第2の平滑コンデンサ9のキャパシタンスをC0、リアクトル5a、7aのインダクタンスを夫々L1、L0、抵抗5b、7bの抵抗値を夫々r1、r0とし、これに図3下部に示した各数値を入れて各周波数成分に対する各電流の総電流との比を図示すると図3に示すようになる。ただしここで総電流iは、以下の式で与えられる。
【0023】
i=i0+i1+i2 ・・・(1)
この計算例を示した図3から判るように、リプル電流の高周波成分は第2の平滑コンデンサ9に流れ、リプル電流の低周波成分は第1の平滑コンデンサ2で吸収される。
【0024】
本発明によれば、第2の平滑コンデンサ9に主に高周波成分を吸収させることで、このコンデンサの物理的なサイズも小さくでき、第2の平滑コンデンサ9を半導体スイッチング素子の直近に配置することができるので、従来のスナバコンデンサが不要になる。
【0025】
また、リプル電流の高周波成分と低周波成分を別個のコンデンサで吸収させることにより、平滑コンデンサの静電容量と許容リプル電流が過剰とならないので、小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0026】
なお、導体のインダクタンスに相当するリアクトル7,8の代りに実際のリアクトルを用いると、コンデンサの特性に合わせて吸収させる周波数成分の分担を変えることもできる。
【0027】
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この第2の実施の形態の各部について、図1の第1の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一の部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第2の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、直流電源1として蓄電池1aを用いている点と、第1の平滑コンデンサ2が省略されている点である。
【0028】
一般に、交流電源からダイオードブリッジ回路やサイリスタブリッジ回路を用いて直流電源を作った場合、交流電源系統を含んだ等価インピーダンスが特定できないことがあり、また、その動作原理上からリプル電流の吸収に制約がある。
【0029】
しかしながら、直流電源として蓄電池を採用すれば、蓄電池はリプル電流の低周波成分を吸収することができ、蓄電池が第1の平滑コンデンサの役目を果すことが可能となる。
【0030】
このように本発明によれば、平滑コンデンサの静電容量と許容リプル電流が過剰とならない構成とすることが可能となるので、小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0031】
(第3の実施の形態)
図5は本発明の第3の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この第3の実施の形態の各部について、図1の第1の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一の部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第3の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、第1の平滑コンデンサとして、電気2重層コンデンサ2aを用いている点である。
【0032】
第1の平滑コンデンサに電気2重層コンデンサ2aのような極めて静電容量の大きいコンデンサを採用すると、より低周波成分のリプル電流を第1の平滑コンデンサに吸収させることができる。これは、低周波の運転が頻繁に行なわれる応用ではメリットがある。尚、市内走行の電気自動車などの応用では、短時間定格の運転のみで良いので、直流電源1を省略し、電気2重層コンデンサ2aを充電しながら使用することも可能である。この場合は電気2重層コンデンサ2aが直流電源1を兼ねることになる。
【0033】
このように、第1の平滑コンデンサに電気2重層コンデンサ2aのような極めて静電容量の大きいコンデンサを採用しても、平滑コンデンサを必要十分に小さくした小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0034】
(第4の実施の形態)
図6は本発明の第4の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この第4の実施の形態の各部について、図1の第1の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一の部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第4の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、リアクトル5及びリアクトル6と第1の平滑コンデンサ2の間に第3の平滑コンデンサ10が挿入されている点と、第1の平滑コンデンサ2と第3の平滑コンデンサ10の間の正側及び負側の直流線路にリアクトル11及び12を夫々挿入した点である。
【0035】
各平滑コンデンサの静電容量は、第2の平滑コンデンサ9、第1の平滑コンデンサ2、第3の平滑コンデンサ10の順で大きくし、第2の平滑コンデンサ9の高周波インピーダンスを第1の平滑コンデンサ2及び第3の平滑コンデンサ10の高周波インピーダンスよりも小さくする。これは、例えば、第2の平滑コンデンサ9としてフィムルコンデンサまたはセラミックコンデンサ、第1の平滑コンデンサ2としてアルミ電解コンデンサ、第3の平滑コンデンサ10として電気二重層などの超大容量コンデンサを用いることにより実現できる。
【0036】
このように、第3のコンデンサ10を追加しても、平滑コンデンサを必要十分に小さくした小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0037】
なお、直流電源1を蓄電池としても良い。また、同様の考え方で、第4、第5と平滑コンデンサを更に追加しても良い。
【0038】
(第5の実施の形態)
図7は本発明の第5の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この第5の実施の形態の各部について、図6の第4の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一の部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第5の実施の形態が、第4の実施の形態と異なる点は、直流電源1を燃料電池13に代えた点、また、第1のコンデンサ2、リアクトル11及び12を除去した点、更に、第3の平滑コンデンサ10と燃料電池13との間に逆電流防止用のダイオード14、及びこのダイオード14に直列にリアクトル15を追加した点である。
【0039】
燃料電池15の許容リプル電流が小さい場合には、第3の平滑コンデンサ10に電気二重層などの超大容量コンデンサを用いることにより、燃料電池が吸収するリプル電流を小さくすることができる。
【0040】
このように、燃料電池13を直流電源1として用いても、平滑コンデンサを必要十分に小さくした小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0041】
(第6の実施の形態)
図8は本発明の第6の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。直流電源1に線路のインダクタンスに相当するリアクトル5、6を介して第1の平滑コンデンサ2bが接続され、この第1の平滑コンデンサ2bの出力は、線路のインダクタンスに相当するリアクトル16、17を介し、半導体スイッチング素子18、フリーホイルダイオード19及び平滑リアクトル20で構成される降圧チョッパに接続されている。半導体スイッチング素子18の近傍には、第2の平滑コンデンサ9bが半導体スイッチング素子18とフリーホイルダイオード19の直列回路に並列に接続されている。
【0042】
図8の構成における降圧チョッパの動作は、「パワーエレクトロニクス回路」(電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編、オーム社)の第7章「直流変換回路」などに解説されているように、半導体スイッチング素子18の通電率を制御することにより所望の直流電圧を得るようにしている。
【0043】
このように降圧チョッパにおいても、本発明による平滑コンデンサの分担の考え方を適用することにより、平滑コンデンサを必要十分に小さくした小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0044】
尚、直流電源1は蓄電池1aでも良い。
【0045】
(第7の実施の形態)
図9は本発明の第7の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。直流電源1の出力は平滑リアクトル21、半導体スイッチング素子22及びフライバックダイオード23で構成される昇圧チョッパに接続されている。昇圧チョッパの出力は、線路のインダクタンスに相当するリアクトル24及び25を介して第1の平滑コンデンサ2cに給電される。昇圧チョッパの半導体スイッチング素子22の近傍には、第2の平滑コンデンサ9cが半導体スイッチング素子22とフライバックダイオード23が形成する直列回路に並列に接続されている。
【0046】
図9の構成における昇圧チョッパの動作は、前述の「パワーエレクトロニクス回路」(電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編、オーム社)の第7章「直流変換回路」などに解説されているように、半導体スイッチング素子23の通電率を制御することにより所望の直流電圧を得るようにしている。
【0047】
このように昇圧チョッパにおいても、本発明による平滑コンデンサの分担の考え方を適用することにより、平滑コンデンサを必要十分に小さくした小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0048】
尚この場合も直流電源1は蓄電池1aでも良い。
【0049】
(第8の実施の形態)
図10は本発明の第8の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。直流電源1の出力はリアクトル5を介して、共振型DC/DCコンバータ30に接続されている。共振型DC/DCコンバータ30の出力は平滑リアクトル24を介して第1の平滑コンデンサ2dに給電される。共振型DC/DCコンバータ30の出力側のダイオード29の近傍には、第2の平滑コンデンサ9dが接続されている。
【0050】
前記共振型DC/DCコンバータ30は、直流入力を直列接続された共振コンデンサ26及び27、並びに直列接続された半導体スイッチング素子3及び4で受け、直列接続された共振コンデンサ26及び27の中点、及び直列接続された半導体スイッチング素子3及び4の中点から変圧器28の1次巻線に交流電力を供給する。変圧器28の2次巻線から得られる交流をダイオード29で整流した直流出力が共振型DC/DCコンバータ30の出力である。尚、図10ではダイオード29として半波整流回路を使用したが、全波整流回路も使用できる。
【0051】
共振型DC/DCコンバータ30の動作は以下の通りである。
【0052】
半導体スイッチング素子3及び4を交互にオンオフさせると、共振コンデンサ26及び27と変圧器28の漏れインダクタンスが共振することにより、変圧器28の1次側にパルス状の共振電流が流入する。この共振電流は、高周波成分を多く含んでいるが、その高周波成分はそのまま変圧器28の2次側に現れる。
【0053】
この第8の実施の形態においても、第2の平滑コンデンサ9dで上記高周波成分を吸収させるようにすれば、全体の平滑コンデンサを必要十分に小さくした小形で安価な電力変換装置を提供することができる。
【0054】
尚、直流電源1は蓄電池1aでも良い。
【0055】
更に、以上の本発明による実施の形態1乃至8は、各々を組合せることによっても電力変換装置を構成することができる。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、低周波リプル電流を第1の平滑コンデンサで、高周波リプル電流を第2の平滑コンデンサで吸収するようにしたので、平滑コンデンサの静電容量と許容リプル電流を過剰にすることなく、小形で安価な電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電力変換装置の第1の実施の形態を示す回路構成図。
【図2】リプル電流解析のための等価回路。
【図3】各電流の周波数成分の計算例。
【図4】本発明による電力変換装置の第2の実施の形態を示す回路構成図。
【図5】本発明による電力変換装置の第3の実施の形態を示す回路構成図。
【図6】本発明による電力変換装置の第4の実施の形態を示す回路構成図。
【図7】本発明による電力変換装置の第5の実施の形態を示す回路構成図。
【図8】本発明による電力変換装置の第6の実施の形態を示す回路構成図。
【図9】本発明による電力変換装置の第7の実施の形態を示す回路構成図。
【図10】本発明による電力変換装置の第8の実施の形態を示す回路構成図。
【符号の説明】
1…直流電源
1a…蓄電池
2、2a、2b、2c、2d…第1の平滑コンデンサ
3、4…半導体スイッチング素子
5、6、7、8…導体のインダクタンスに相当するリアクトル
5a、7a…リアクトルのインダクタンス分
7a、7b…リアクトルの抵抗分
9、9a、9b、9c、9d…第2の平滑コンデンサ
10…第3の平滑コンデンサ
11、12…導体のインダクタンスに相当するリアクトル
13…燃料電池
14…ダイオード
15、16、17…導体のインダクタンスに相当するリアクトル
18…半導体スイッチング素子
19…ダイオード
20、21…平滑リアクトル
22…半導体スイッチング素子
23…ダイオード
24、25…導体のインダクタンスに相当するリアクトル
26、27…共振コンデンサ
28…変圧器
29…ダイオード
30…共振型DC/DCコンバータ
40…電流源
Claims (9)
- 直流電源と、
この直流電源に第1の平滑コンデンサを介して接続されたインバータと、
このインバータを構成する半導体スイッチング素子の近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、
この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記直流電源を蓄電池としたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記第1の平滑コンデンサを電気二重層コンデンサとしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源と前記第1の平滑コンデンサの間には第3の平滑コンデンサが接続され、
前記第3の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも大きくし、且つ前記第3の平滑コンデンサの高周波インピーダンスを前記第2の平滑コンデンサよりも大きくしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記直流電源を燃料電池としたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 直流電源と、
この直流電源に第1の平滑コンデンサを介して接続された降圧チョッパと、
この降圧チョッパを構成する半導体スイッチング素子の近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、
この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電源と、
この直流電源に昇圧チョッパを介して接続された第1の平滑コンデンサと、
前記昇圧チョッパを構成する半導体スイッチング素子の近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、
この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電源と、
この直流電源に共振型DC/DCコンバータ及びリアクトルを介して接続された第1の平滑コンデンサと、
前記共振型DC/DCコンバータの出力側ダイオードの近傍に配置された第2の平滑コンデンサを備え、
この第2の平滑コンデンサの静電容量を前記第1の平滑コンデンサの静電容量よりも小さくし、且つ高周波インピーダンスを同等以下としたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記直流電源を蓄電池としたことを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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