JP2009142052A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インバータ部Bを構成する複数の単相インバータ6〜8のコンデンサ3〜5の内、直流電圧が最大である第1のコンデンサ3の電圧V1を、太陽電池1から昇降圧回路Aを介して、制御電源回路30の効率の良い所定の電圧範囲に生成する。制御電源回路30の入力側を太陽電池1と第1のコンデンサ3との双方に切換部32を備えて接続し、起動時には太陽電池1から電圧供給し、その後切換部32により、太陽電池1の電圧あるいは第1のコンデンサ3の電圧を選択して電圧供給する。
【選択図】図1
Description
このように構成されるパワーコンディショナでは、第1のコンデンサの直流電圧V1よりも高い電圧を出力することができ、また各インバータを耐電圧の低い素子で構成でき、損失の低減された効率の良い装置構成が達成できる(例えば、特許文献1参照)。
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置(以下、パワーコンディショナと称す)を図について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるパワーコンディショナを示す概略構成図である。図1に示すように、複数(この場合3個)の単相インバータ6〜8の交流側を直列に接続してインバータ部Bを構成する。各単相インバータ6〜8は、ダイオードを逆並列に接続した複数個のIGBT等の自己消弧型半導体スイッチング素子28(以下、スイッチ素子28と称す)で構成され、第2の直流電源となる第1のコンデンサ3を入力とする第1の単相インバータ6の交流側両端子に第2の単相インバータ7、8が接続される。なお、2つの第2の単相インバータ7、8の一方を、便宜上以後第3の単相インバータ8と称す。また、第1の単相インバータ6の交流側両端子間を短絡させる短絡用スイッチ9としてダイオードを逆並列に接続した2個のIGBT等の自己消弧型半導体スイッチング素子が互いに逆極性に直列接続され、この短絡用スイッチ9は第1の単相インバータ6に並列に接続される。
さらに、降圧コンバータ17をバイパスする第2のバイパス回路18が接続される。この第2のバイパス回路18は、降圧用スイッチ素子23をバイパスするように接続されたバイパスリレー22で構成される。
これらの単相インバータ6〜8は出力として正負およびゼロの電圧を発生することができ、インバータ部Bは、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧を出力する。この出力電圧はリアクトル13、14およびコンデンサ15から成る平滑フィルタにより平滑され、交流電圧Voutを系統(負荷)16に供給する。なお、系統16は柱状トランスにて中点を接地しているものとする。
また、第1の単相インバータ6の出力電圧が0である期間では、第1の単相インバータ6の交流側両端子間を短絡させる短絡用スイッチ9をオンして導通状態にすると共に、第1の単相インバータ6内の全ての半導体スイッチをオフ状態にする。これにより、太陽電池1から生成した第1のコンデンサ3の中間点電位をアース電位に固定でき、太陽電池1の電位変動が抑制できる。
太陽電池1の定格電圧をDC250Vとすると、定格電圧時には昇降圧する必要なく第1のコンデンサ3の電圧V1を生成できる。第2、第3のコンデンサ4、5の電圧V2、V3はV1よりも低く、このため、各単相インバータ6〜8は耐電圧の低い素子で構成でき、損失の低減された効率の良いインバータ部Bとなる。
パワーコンディショナのシステム起動時などの無負荷運転の際、太陽電池1の電圧が定格電圧(DC250V)より高く、例えばDC400V程度になる場合がある。このように太陽電池1の電圧が運転中に定格電圧を上回った場合は、降圧コンバータ17にて降圧して第1のコンデンサ3の電圧V1を生成する。また、太陽電池1が定格電圧を下回り、さらに所定の電圧、例えばDC200V以下になると、昇圧チョッパ11にて昇圧して第1のコンデンサ3の電圧V1を生成する。
次に、太陽電池1の電圧が上記所定の範囲を外れ、降圧コンバータ17や昇圧チョッパ11を動作させる必要が発生した場合、第1のバイパス回路12を遮断する。この時、まず、バイパススイッチ素子19、20をオンさせて、バイパススイッチ素子19、20への電流経路を生成し、次いでバイパスリレー21を遮断することにより、バイパスリレー21を流れていた電流はバイパススイッチ素子19、20に流れ、バイパスリレー21はアークを発生することなく遮断できる。そして、バイパススイッチ素子19、20をオフすることにより、バイパスリレー21の信頼性を損なうことなく第1のバイパス回路12を遮断でき、電流は降圧コンバータ17や昇圧チョッパ11へ流れる。
なお、入力コンデンサ2の電圧より第1のコンデンサ3の電圧の方が高い場合は、入力コンデンサ2から第1のコンデンサ3への突入電流は流れない。
さらに、降圧コンバータ17や、昇圧チョッパ11の動作中に太陽電池1の電圧が所定の範囲(DC200V〜定格電圧DC250V)に復帰した場合、降圧動作、昇圧動作を停止し、第1のバイパス回路12内のバイパスリレー21を上述した順序で導通させることで、電流を定格電流経路に流す運転へ戻すことができる。
図2は、制御電源回路30の一例による概略回路図である。図に示すように、制御電源回路30は、フライバックトランス38と一次側スイッチング素子34とを備えたフライバック方式の多出力電源である。また、電源制御IC35、フィードバック回路36、起動回路37およびバイアス巻線41を備える。図3は、多出力のフライバックトランス38の断面構造図である。また、図4は、制御電源回路30の各部の動作波形を示す図で、制御電源回路30の入力電圧がDC50Vの低い場合を図4(a)に、DC400Vの高い場合を図4(b)に示した。
入力電圧が印加されると、起動回路37が動作し、電源制御IC35に電源が供給される。これにより電源制御IC35が起動、発振を始め、1次側スイッチング素子ゲート信号(以下、単にゲート信号と称す)を1次側スイッチング素子34へ供給し1次側スイッチング素子34はスイッチングを開始する。
次に、1次側スイッチング素子34がオフすると(図4(a)では時刻t2)、1次側励磁インダクタンスL1に蓄えられたエネルギWは逆起電力VLとなって放出しようとするが、この時点で磁気結合された2次側励磁インダクタンスL2にも逆起電力が発生し、2次側整流ダイオード39は順バイアスとなり導通する。したがって、2次側電流I2が流れ、2次側整流ダイオード39を介して2次側整流コンデンサ40を充電し、すなわち2次側励磁インダクタンスL2のエネルギ放電は完了する。
さらに、2次側出力の制御回路用電源(ここでは+5V)となる出力は、絶縁機能のあるフィードバック回路36を介して電源制御IC35へフィードバックされる。フィードバック回路36では、2次側出力電圧である制御回路用電源の電圧が、設定された目標電圧(+5V)となるように、1次側スイッチング素子34へのゲート信号を調整する。即ち、制御回路用電源の電圧が目標電圧より高ければゲート信号のオン時間を短くし、低ければオン時間を長くすることで、フライバックトランス38への投入エネルギを調節し、所定の目標電圧とする。このように、所謂PWM制御(パルス幅変調制御)をすることで各2次側出力の電圧を安定化させる機能を有して制御電源回路30は動作する。
制御電源回路30の出力は、以下に示す種々の要因により変動する。例えば、量産による個々のバラツキ、周囲温度が上昇、下降した時、例えば0℃から80℃変化した時の出力温度特性、制御電源回路30の出力の負荷が変動した時、また、各出力の負荷に偏りがある時の出力負荷変動特性、広範囲入力電圧に対する出力変動特性等である。制御電源回路30の各出力は、上記各変動条件、あるいはこれらが組み合わせられた時に対しても、各出力の電源電圧毎に要求される精度を満たす必要がある。
まず制御回路用電源は、パワーコンディショナの昇降圧回路Aおよびインバータ部Bの各スイッチ素子等を制御する制御回路31bに電源供給を行っている。制御回路31bで使用しているICの電源電圧の仕様が例えば5Vであった場合、このICの推奨電源電圧範囲は、4.75Vから5.25V、もしくは4.5Vから5.5V程度が一般的であり、この範囲外の電圧となるとICが誤動作したり、最悪時は破損したりする。複数ある出力のうち、制御回路用電源は、電源電圧の変動が許される電圧幅が最も少なく高安定化が要求される。上述した各変動条件やその組み合わせに対しても、制御回路用電源は、制御回路31bで使用しているICの推奨電源電圧範囲を保証する必要がある。このため、複数ある出力のうち制御回路用電源の電圧をフィードバック回路36に入力して、制御回路用電源の高安定化を図っている。
なお、一般的なスイッチ素子では、各スイッチ素子のゲート耐電圧の最大定格電圧は20Vもしくは30V耐圧であり、これを基準にゲート電源の電圧は決定される。また、スイッチ素子のゲートへのストレスを低減することで高信頼性を得るため、最大定格電圧の80%以下でスイッチ素子を使用することがメーカから推奨されている。ここでは、ゲート耐電圧が20Vのスイッチ素子を使用して、ゲート電源の電圧を15Vに設定している。このため、各スイッチ素子のゲート電源用出力は、上述した制御回路用電源や、センサ用電源ほど高安定化、高精度化の要求は高いものではなく、許容される電圧変動幅は、例えば15±1V程度である。
フライバックトランス38は、図3の断面構造図に示すように、1次側巻線、各2次側巻線ともに、ボビン45へ多層巻きで巻かれている。なお、46は巻線、47は絶縁テープ、48はトランスコアを示す。複数の単相インバータ6〜8を有するパワーコンディショナの制御電源回路30は、多くのゲート電源を出力する必要があり、さらに多層巻きとなる。そのため、1次側巻線N1に対し外周に離れた2次側巻線(例えばN8)ほど1次側巻線との結合が悪くなることや、多層巻きになるほど巻線の巻かれ方の状態は、一様でなく個々のバラツキは大きい、即ち、各ゲート電源を含めたフライバックトランス38の2次側出力の電圧のバラツキが大きくなる傾向がある。
図5は、入力電圧に対する制御電源回路30の効率を示したグラフである。
制御電源回路30は、図4を用いて説明したように、時刻t1において、電源制御IC35からのゲート信号により1次側スイッチング素子34がオンすると、フライバックトランス38の1次側励磁インダクタンスL1に、1次側スイッチング素子ドレイン電流となる電流I1が傾斜状の積分波形で流れる。この電流の増加分I1は、I1〔A〕=(入力電圧・オン時間)/(1次側励磁インダクタンスL1)となる。この際、1次側励磁インダクタンスL1にはエネルギW〔J〕=1/2・(L1・I12)のエネルギが蓄えられる。
この場合、制御電源回路30が最も効率良く動作するのは、入力電圧がDC250Vの時で、パワーコンディショナの入力電圧となる太陽電池出力電圧の最小電圧から最大電圧の中心電圧付近である。
パワーコンディショナの起動時に、例えば太陽電池1の出力電圧が50Vであると、制御電源回路30の入力電圧も50Vで効率は低いものであるが、起動後に制御電源回路30の入力電圧はDC200V〜DC250Vとなるため、図5の矢印50に示すように効率が向上する。太陽電池1の定格電圧と制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧とを同じDC250Vにすると、定格運転時には制御電源回路30の効率は最良となる。
上記実施の形態1によるパワーコンディショナにおいて、制御電源回路30の入力を切り換える切換部32の構成を具体的に示した例を、図6に基づいて以下に示す。
図6に示すように、切換部32は、第1のダイオード55、第2のダイオード56から成る論理和(OR)回路と、第1のダイオード55、第2のダイオード56へそれぞれ直列接続された第1のスイッチ57、第2のスイッチ58とで構成される。論理和回路は、第1のダイオード55と第2のダイオード56のカソード同士を接続して構成し、第1のダイオード55のアノードは太陽電池1の正極に接続され、第2のダイオード56のアノードは第1のコンデンサ3の正極に接続される。
なお、この第1、第2のスイッチ57、58と第1、第2のダイオード55、56の接続順序は逆となっても良い。
パワーコンディショナが起動する時には切換部32の第1のスイッチ57をオンし、太陽電池1の直流電圧(例えばDC50V)から第1のダイオード55を経由し制御電源回路30へ入力電圧を供給し起動する。これにより制御部31が動作可能になり昇降圧回路Aおよびインバータ部Bが制御される。そして、太陽電池1の出力電圧から昇降圧回路Aを介して第1の単相インバータ6の入力である第1のコンデンサ3の直流電圧を生成した後、複数の単相インバータ6〜8を動作させ、交流電力を生成する。この時、切換部32の第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフする。
なお、パワーコンディショナの起動時に、太陽電池1の電圧が例えばDC400V程度と高くなる場合があるが、切換部32の動作は同様であり、パワーコンディショナが起動する時には切換部32の第1のスイッチ57をオンし、その後、第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフする。
第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御されるため、パワーコンディショナの起動後の制御電源回路30の入力電圧範囲も上記所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)であり、制御電源回路30は良好な効率で、しかも多数の電源電圧を精度良く出力できる。
なお、パワーコンディショナの停止時には、切換部32の第1のスイッチ57をオンし、第2のスイッチ58をオフして、起動時と同様に太陽電池1の直流電圧から制御電源回路30に電圧供給する。
次に、この発明の実施の形態3によるパワーコンディショナについて、図7に基づいて説明する。図7に示すように、上記実施の形態1、2によるパワーコンディショナとは制御電源回路30の入力を切り換える切換部32aの構成が異なる。
図7に示すように、切換部32aは、第1のダイオード55と第2のダイオード56とのカソード同士を接続した論理和(OR)回路から成り、第1のダイオード55のアノードは太陽電池1の正極に接続され、第2のダイオード56のアノードは第1のコンデンサ3の正極に接続される。なお、切換部32a以外の構成は上記実施の形態1、2と同様である。
パワーコンディショナが起動する時には、太陽電池1の直流電圧(例えばDC50V)から切換部32aの第1のダイオード55を経由し制御電源回路30へ入力電圧を供給し起動する。これにより制御部31が動作可能になり昇降圧回路Aおよびインバータ部Bが制御される。
そして、太陽電池1の出力電圧から昇降圧回路Aを介して第1の単相インバータ6の入力である第1のコンデンサ3の直流電圧を生成した後、複数の単相インバータ6〜8を動作させ、交流電力を生成する。この時、第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御される。上記実施の形態1で説明したように、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧範囲以下、即ち200V以下の時、昇降圧回路Aは昇圧動作を行い、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧範囲を超え、即ち250Vを超えると、昇降圧回路Aは降圧動作を行って電圧V1を生成する。
太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より低い時、即ち昇降圧回路Aが昇圧動作を行う時は、第1のコンデンサ3の直流電圧(例えばDC250V)から切換部32aの第2のダイオード56を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より高い時、即ち昇降圧回路Aが降圧動作を行う時は、太陽電池1の電圧(例えばDC400V)から切換部32aの第1のダイオード55を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。太陽電池1の電圧がDC200V〜DC250Vで第1のコンデンサ3の電圧V1と等しいとき、即ち昇降圧回路Aが昇降圧動作をせず第1のバイパス回路12を電流経路とするとき、切換部32aの第1、第2のダイオード55、56のいずれか(どちらでも良い)を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。
次に、この発明の実施の形態4によるパワーコンディショナについて、図8に基づいて説明する。この実施の形態では、図8に示すように、上記実施の形態2によるパワーコンディショナと、インバータ部Bの構成が異なるもので、インバータ部Bは1つの単相インバータ回路60で構成され、インバータ部Bは系統(負荷)16にAC100Vの交流電力を出力する。即ち、太陽電池1の後段に、入力コンデンサ2を介して昇降圧回路Aが接続され、太陽電池1から昇降圧回路Aを介して充電される第1のコンデンサ3は、単相インバータ回路60の直流入力となる。インバータ部B以外の構成は、上記実施の形態2と同様である。
上記実施の形態1〜3では、系統(負荷)16がAC200Vであることを想定して記述してきたが、この実施の形態4のように、系統(負荷)16がAC100Vの時は、1つの単相インバータ回路60でも高い電圧をスイッチングする必要がなく、高い効率が得られる。
パワーコンディショナが起動する時には切換部32の第1のスイッチ57をオンし、太陽電池1の直流電圧から第1のダイオード55を経由し制御電源回路30へ入力電圧を供給し起動する。これにより制御部31が動作可能になり昇降圧回路Aおよびインバータ部Bが制御される。そして、太陽電池1の出力電圧から昇降圧回路Aを介して単相インバータ回路60の入力である第1のコンデンサ3の直流電圧を生成した後、単相インバータ回路60をPWM制御により動作させ、交流電力を生成する。
この時、第1のコンデンサ3の電圧V1は、系統電圧のピーク電圧よりも高い所定の電圧、例えば180Vに制御される。即ち、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧(180V)以下の時、昇降圧回路Aは昇圧動作を行い、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧(180V)を超えると、昇降圧回路Aは降圧動作を行って電圧V1を生成する。
太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より低い時、即ち昇降圧回路Aが昇圧動作を行う時は、切換部32の第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフする。これにより、第1のコンデンサ3の直流電圧(例えばDC180V)から切換部32の第2のダイオード56を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。
太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より高い時、即ち昇降圧回路Aが降圧動作を行う時、太陽電池1の電圧が例えばDC300V以下の時は、切換部32の第1のスイッチ57をオンし、第2のスイッチ58をオフすることで、制御電源回路30の入力電圧を太陽電池1の電圧から供給する。そして、太陽電池1の電圧が例えばDC300Vを超える時は、切換部32の第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフすることで、制御電源回路30の入力電圧を第1のコンデンサ3の直流電圧から供給する。
3 第2の直流電源としての第1のコンデンサ、
4 直流電源としての第2のコンデンサ、5 直流電源としての第3のコンデンサ、
6 第1の単相インバータ、7 第2の単相インバータ、
8 第3の単相インバータ(第2の単相インータ)、11 昇圧チョッパ、
12 第1のバイパス回路、17 降圧コンバータ、18 第2のバイパス回路、
23 降圧用スイッチ素子、24 降圧用ダイオード、25 昇圧用ダイオード、
26 昇圧用スイッチ素子、27 リアクトル、30 制御電源回路、31 制御部、
31a 検出回路としてのセンサ回路、31b 制御回路、32,32a 切換部、
34 一次側スイッチング素子、38 フライバックトランス、
55 第1のダイオード、56 第2のダイオード、57 第1のスイッチ、
58 第2のスイッチ、60 単相インバータ部、A 昇降圧回路、B インバータ部。
Claims (13)
- 第1の直流電源と、
該第1の直流電源の電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧回路と、
該昇降圧回路の出力にて生成される第2の直流電源の直流電力を交流電力に変換する第1の単相インバータ、および上記第2の直流電源の電圧以下である直流電源の直流電力を交流電力に変換する1あるいは複数の第2の単相インバータの交流側を直列接続し、上記第1、第2の単相インバータの各発生電圧の総和により電圧を出力するインバータ部と、
上記インバータ部および上記昇降圧回路を制御する制御部と、
上記制御部を動作させるための制御電源回路とを備え、
上記制御電源回路は、切換手段を備えて上記第1の直流電源と上記第2の直流電源との双方に接続され、装置の起動時には上記第1の直流電源から電圧供給され、その後上記第1の直流電源あるいは第2の直流電源のいずれか一方から電圧供給されることを特徴とする電力変換装置。 - 上記第2の直流電源の電圧は、上記制御電源回路の効率が最大時の該制御電源回路の入力電圧値を含む所定の電圧範囲内に制御されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記第2の直流電源の電圧は、上記制御電源回路の効率が所定値以上となる該制御電源回路の入力電圧の範囲内に制御されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 第1の直流電源と、
該第1の直流電源の電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧回路と、
該昇降圧回路の出力にて生成される第2の直流電源の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、
上記インバータ部および上記昇降圧回路を制御する制御部と、
上記制御部を動作させるための制御電源回路とを備え
上記制御電源回路は、切換手段を備えて上記第1の直流電源と上記第2の直流電源との双方に接続され、装置の起動時には上記第1の直流電源から電圧供給され、その後上記第1の直流電源あるいは第2の直流電源のいずれか一方から電圧供給されることを特徴とする電力変換装置。 - 上記制御電源回路の上記切換手段は、装置の起動後に、上記第2の直流電源から上記制御電源回路へ電圧供給するように切り換えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記制御電源回路の上記切換手段は、装置の起動後に、上記第1の直流電源の電圧と上記第2の直流電源の電圧とに応じて、上記制御電源回路への電圧供給を切り換えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記切換手段は、上記第1の直流電源、第2の直流電源の各出力にダイオードを接続して形成される論理和回路を備えることを特徴とする請求項5または6に記載の電力変換装置。
- 上記切換手段は、上記論理和回路の各々の上記ダイオードに直列にスイッチが接続され、上記制御電源回路への電圧供給経路を上記スイッチで切り換えることを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。
- 上記切換手段の上記スイッチは、機械式スイッチであることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 上記昇降圧回路は、昇圧部と降圧部と該昇圧部、降圧部の一方あるいは双方をバイパスするバイパス回路とを備えたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、制御に必要となる電圧、電流を検出する検出回路と、該検出回路の出力に応じて上記インバータ部および上記昇降圧回路を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記制御電源回路は、一次側に半導体スイッチング素子を備えたフライバックトランスにて構成されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記第1の直流電源は、太陽電池であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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