JP2022090665A - 電力変換装置のリアクトル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルの体積を大型化することなく、出力側に流出する電流リプルを低減することができる電力変換装置のリアクトル構造を提供する。【解決手段】複数の電力変換器を直列又は並列に接続して構成される電力変換部１００の直流出力側を、４つに分割した第１～第４巻線８１～８４を同一鉄心に巻回して構成したリアクトルと、直流コンデンサ３６ａ，３６ｂの直列回路を介して負荷に接続した。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に用いられるリアクトルに係り、出力電流の低リプル化が可能なリアクトルの構造に関する。

従来、例えば特許文献１に記載の電力変換装置（電力コンバータシステム）では、複数のＤＣ－ＤＣ変換器を直列もしくは並列に接続しており、変換器を直列に接続することで高耐圧化および低リプル化、並列に接続することで大容量化、低リプル化を実現している。

しかし、回路上の部品やケーブルなどに生じる対地との寄生静電容量などを通じてリプル電流が発生し、出力に高調波が流出してしまう問題が生じる。特に、図５に示す構成（特許文献１の図８に記載の構成）の場合、この影響が顕著となる。

図５において、１０は再生可能エネルギー発電所、１４はコンバータシステム、２２は配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータである。複数の再生可能エネルギー源（風力発電機）１２の出力側は、複数のコンバータユニット１８および保護スイッチ３０を介して１つのＤＣ配電バス２０に接続されて、１つのコンバータシステム１４が構成されている。

コンバータシステム１４の各コンバータユニット１８は、再生可能エネルギー源１２からのＡＣ電圧をＤＣ電圧へ変換するＡＣ－ＤＣコンバータ２４と、ＡＣ－ＤＣコンバータ２４の出力電圧からＤＣ配電バス２０の所望の電圧へ昇圧するＤＣ－ＤＣコンバータ２６、２８とを有している。

配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータ２２は、直列接続された２個の半導体スイッチング素子３３、３４と、半導体スイッチング素子３３および３４の共通接続点に接続されたリアクトル３５を有し、半導体スイッチング素子３３、３４の直列回路の両端は前記ＤＣ配電バス２０に接続されている。

前記コンバータシステム１４および配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータ２２は複数設けられ、各配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータ２２の出力側で各々接続されている。

各配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータ２２の出力側は、隣接する２つの配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータ２２の出力端間に直列に接続された２個の直流コンデンサ３６、３６および高電圧ＤＣ配電網１６を介して図示省略の負荷に接続されている。

３２は、ＡＣ－ＤＣコンバータ２４および前記各ＤＣ－ＤＣコンバータ２２、２６、２８を制御するコントローラである。

特表２０１７－５２１０３７号公報

図５の電力変換装置において、回路上の部品やケーブルなどによる対地との寄生静電容量などを通じてリプル電流が流れる電流経路を、図６とともに説明する。

図６は図５の構成の一部を簡略化して図示しており、図５の隣接する２つの配電網側ＤＣ－ＤＣコンバータ２２、２２を、半導体スイッチング素子３３ａ、３４ａおよびリアクトル３５ａから成るＤＣ－ＤＣコンバータ２２ａと、半導体スイッチング素子３３ｂ、３４ｂおよびリアクトル３５ｂから成るＤＣ－ＤＣコンバータ２２ｂとして表記している。

また、図５の直流コンデンサ３６、３６を直流コンデンサ３６ａ、３６ｂとして表記し、図５の隣接する２つのコンバータシステム１４、１４の出力側を直流コンデンサ１４ａ、１４ｂとして表記している。５０は負荷であり、対地電圧は交流電圧源の記号で表記してある。

図６において、点線の矢印がリプル電流の流れる経路であり、負荷５０内の電流経路にも寄生静電容量（図６の負荷５０の右側に表記したコンデンサ記号）がある。

よって、対地電圧→負荷５０→負荷５０内の寄生静電容量→接地の経路や、対地電圧→直流コンデンサ３６ａ、３６ｂ→負荷５０→負荷５０内の寄生静電容量→接地の経路でリプル電流が流れる。

同様に、負荷５０内の寄生静電容量の一部を接地している場合にも、対地電圧→直流コンデンサ３６ｂ→負荷５０→接地の経路でリプル電流が流れる。

図６の例ではＮ側（負極側）にリアクトルが存在しないためＮ側から対地へのインピーダンスが低く、電力変換器（ＤＣ－ＤＣコンバータ２２ａ、２２ｂ）が出力する対地に対する電圧成分により大きな電流が流れてしまう。この電流は負荷５０にもリアクトルが存在しない場合、負荷５０に対して電磁障害や、電流リプルによる発熱などの悪影響を与える危険性がある。

リアクトルを分割し配置することで対策することも可能であるが、その場合他のリアクトルと同じ大きさの電流が流れるため、他のリアクトルと同等の断面積のコアが必要となってしまい、大型化してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、リアクトルの体積を大型化することなく、出力側に流出する電流リプルを低減することができる電力変換装置のリアクトル構造を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の電力変換装置のリアクトル構造は、
複数の電力変換器を備えた電力変換装置のリアクトル構造であって、
複数の電力変換器を直列又は並列に接続した電力変換部の直流出力側を、電力変換部の正側出力端に接続される巻線と負側出力端に接続される巻線とを同一鉄心に巻回して構成したリアクトルを介して負荷に接続したことを特徴とする。

請求項２に記載の電力変換装置のリアクトル構造は、請求項１において、
前記負荷の両端間に直列に接続され、中点が接地されたコンデンサの直列回路を備え、
前記電力変換部は、第１の直流電源の正、負極端間に接続されたコンデンサおよび該コンデンサの両端間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子を有した第１の電力変換器と、第２の直流電源の正、負極端間に接続されたコンデンサおよび該コンデンサの両端間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子を有した第２の電力変換器とを備え、
前記リアクトルは、四角形状の鉄心を１組の対辺の各々の略中央部位で１／２に分割して形成した第１鉄心部および第２鉄心部を備え、
前記第１鉄心部の一端側に巻回され、一端が前記第１の電力変換器の第１および第２の半導体スイッチング素子の共通接続点に接続され、他端が前記負荷の一端およびコンデンサの直列回路の一端に接続された第１巻線と、
前記第１鉄心部の他端側に、前記第１巻線で生じる磁束方向と逆方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が第２の電力変換器の負極端に、他端が前記負荷の他端およびコンデンサの直列回路の他端に接続された第２巻線と、
前記第２鉄心部の、前記第１巻線と対向する一端側に、前記第１巻線で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が前記第１の電力変換器の負極端に接続された第３巻線と、
前記第２鉄心部の、前記第２巻線と対向する他端側に、前記第２巻線で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向であり、且つ第３巻線で生じる磁束と逆方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が前記第２の電力変換器の第３および第４の半導体スイッチング素子の共通接続点に接続され、他端が前記第３巻線の他端と接続された第４巻線と、を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の電力変換装置のリアクトル構造は、請求項１において、
前記電力変換部は、第１の直流電源の正、負極端間に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子を有した第１の電力変換器と、第２の直流電源の正、負極端間か、又は前記第１の直流電源の正、負極端間に接続されたコンデンサおよび該コンデンサの両端間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子を有した第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器に形成された第１出力端と、前記第２の電力変換器に形成された第２出力端とを備え、
前記電力変換部の第１出力端と第２出力端の間にコンデンサを直列に接続したコンデンサの直列回路を備え、
前記リアクトルは、四角形状の鉄心を１組の対辺の各々の略中央部位で１／２に分割して形成した第１鉄心部および第２鉄心部を備え、
前記第１鉄心部の中央部に巻回され、一端が前記電力変換部の第１出力端に接続され、他端が負荷の一端に接続された第１巻線と、
前記第２鉄心部の、前記第１巻線と対向する中央部に、前記第１巻線で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が負荷の他端に接続され、他端が前記電力変換部の第２出力端に接続された第２巻線と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の電力変換装置のリアクトル構造は、請求項２又は３において、
前記鉄心の、分割した第１鉄心部と第２鉄心部の境界部位にはギャップが形成されていることを特徴とする。

（１）請求項１～４に記載の発明によれば、電力変換部の出力側と負荷の間のリアクトルを、分割した巻線を同一鉄心に巻回して構成したので、回路の対地に対するインピーダンスを等しくすることができ、リアクトルの体積を大型化することなく、出力側に流出する電流リプルを低減することができる。
（２）請求項４に記載の発明によれば、ギャップにより生じる漏れインダクタンスによって、コモンモード電圧により生じる対地電流に対しても抑制効果を発揮することが可能となる。

本発明の実施例１を用いた回路構成例を示す回路図。 本発明の実施例１によるリアクトルの構成図。 本発明の実施例２を用いた回路構成を示し、（ａ）は全体の回路構成図、（ｂ）は電力変換器の構成例１を示す回路図、（ｃ）は電力変換器の構成例２を示す回路図。 本発明の実施例２によるリアクトルの構成図。 先行技術における回路構成を示す回路図。 先行技術において電流リプルが流出する例を示す説明図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明の実施形態では、巻線を分割し且つ磁気結合させることでリアクトルの体積を大型化することなく出力側に流出する電流リプルを低減できるリアクトルの結線方式及び構造を提案する。

図１は実施例１を用いた回路構成を示し、図２は図１を達成するためのリアクトルの構成例を示している。図１において、１００は第１の電力変換器１０１および第２の電力変換器１０２を備えた電力変換部である。

第１の電力変換器１０１は、図示省略の第１の直流電源の正、負極端間に接続された直流コンデンサ１４ａおよび該コンデンサ１４ａの両端間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子３３ａ、３４ａを有している。

第２の電力変換器１０２は、図示省略の第２の直流電源の正、負極端間に接続された直流コンデンサ１４ｂおよび該コンデンサ１４ｂの両端間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子３３ｂ、３４ｂを有している。

電力変換部１００の出力側は、図２に示すようにコア６０（鉄心）に４分割した巻線を巻回して構成したリアクトルの、各巻線８１～８４の各一端に接続されている。

第１巻線８１の他端と第２巻線８２の他端の間には、直流コンデンサ３６ａおよび３６ｂの直列回路が接続されている。直流コンデンサ３６ａおよび３６ｂの直列回路の中点は接地され、両端間には図示省略の負荷が接続されている。

図１の第１～第４巻線８１～８４の各端子の記号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは図２の記号に対応している。

リアクトルの構成を示す図２において、６０は四角形状のコア（鉄心）であり、１組の対辺の各々の略中央部位で１／２に分割して第１コア部６１（第１鉄心部）および第２コア部６２（第２鉄心部）を形成している。

７０ａ，７０ｂは、第１コア部６１と第２コア部６２の間に形成されたギャップである。尚、ギャップ７０ａ，７０ｂを設けない構成にしてもよい。

第１コア部６１の一端側には第１巻線８１が巻回され、第１巻線８１の一端ａは第１および第２の半導体スイッチング素子３３ａ，３４ａの共通接続点に接続され、他端ｂは直流コンデンサ３６ａおよび図示省略の負荷の一端に接続されている。

第１コア部６１の他端側には、第１巻線８１で生じる磁束方向と逆方向の磁束が生じる方向に第２巻線８２が巻回されている。第２巻線８２の一端ｇは第２の電力変換器１０２の負極端（第４の半導体スイッチング素子３４ｂと直流コンデンサ１４ｂの共通接続点）に接続され、他端ｈは直流コンデンサ３６ｂおよび図示省力の負荷の他端に接続されている。

第２コア部６２の、前記第１巻線８１と対向する一端側には、第１巻線８１で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向に第３巻線８３が巻回され、第３巻線８３の一端ｃは第１の電力変換器１０１の負極端（第２の半導体スイッチング素子３４ａと直流コンデンサ１４ａの共通接続点）に接続されている。

第２コア部６２の前記第２巻線８２と対向する他端側には、第２巻線８２で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向であり、且つ第３巻線８３で生じる磁束と逆方向の磁束が生じる方向に第４巻線８４が巻回されている。第４巻線８４の一端ｅは第３および第４の半導体スイッチング素子３３ｂ、３４ｂの共通接続点に接続され、他端ｆは第３巻線８３の他端ｄと接続されている。

上記のように一つのコア６０に、分割した第１～第４巻線８１～８４を巻回して構成したリアクトルを図１の回路に接続することにより、対地に対するインピーダンスを等しくすることができるため、先行技術のようなリプル電流が流れることは防止される。このとき４つの巻線８１～８４で流れる電流は等しいため、コア６０の断面積は、先行技術のものと同一のものを使用することができる。

さらに、リアクトルのコア６０にギャップ７０ａ，７０ｂを設けることにより、漏れインダクタンスが生じるが、この漏れインダクタンスによりコモンモード電圧により生じる対地電流に対しても抑制効果を発揮することが可能となる。

以上のように、コア寸法を大型化することなく対地や負荷に流れる電流リプルを低減できるリアクトルを提供することができる。

負荷がバッテリのような電圧源であり、電力変換器を電流源として動作させる場合においては、電流を制御するためのリアクトルは負荷側に設置する必要がある。

図３は、負荷側にリアクトルを設置して構成した電力変換装置に本発明を適用した実施例２を示し、（ａ）は全体の回路構成図、（ｂ）は電力変換器の構成例１の回路図、（ｃ）は電力変換器の構成例２の回路図であり、図１と同一部分は同一符号をもって示している。

図３（ａ）において、電力変換部２００の直流出力側の第１出力端２０１と第２出力端２０２の間には直流コンデンサ３６ａ，３６ｂの直列回路が接続されている。

第１出力端２０１および直流コンデンサ３６ａの共通接続点は本発明のリアクトルを構成する第１巻線９１を介して電圧源としての負荷１５０の正極端に接続されている。

第２出力端２０２および直流コンデンサ３６ｂの共通接続点は本発明のリアクトルを構成する第２巻線９２を介して負荷１５０の負極端に接続されている。

直流コンデンサ３６ａ，３６ｂの直列回路の中点は負荷１５０に接続され、負荷１５０内で接地されている。

電力変換部２００の構成例１を示す図３（ｂ）において、第１の電力変換器１０１の第１および第２の半導体スイッチング素子３３ａ，３４ａの共通接続点はリアクトル２１１を介して第１出力端２０１に接続され、第２の電力変換器１０２の第４の半導体スイッチング素子３４ｂおよび直流コンデンサ１４ｂの共通接続点はリアクトル２１２を介して第２出力端２０２に接続されている。

前記第２の半導体スイッチング素子３４ａおよび直流コンデンサ１４ａの共通接続点と、第３および第４の半導体スイッチング素子３３ｂ、３４ｂの共通接続点との間は、リアクトル２１３および２１４を介して接続されている。

電力変換部２００の構成例２を示す図３（ｃ）において、第２の電力変換器１０２の入力側は第１の電力変換器１０１の入力側（直流コンデンサ１４ａの両端間）に接続されている。

第１の電力変換器１０１の第１および第２の半導体スイッチング素子３３ａ，３４ａの共通接続点はリアクトル２２１を介して第１出力端２０１に接続され、第２の電力変換器１０２の第３および第４の半導体スイッチング素子３３ｂ、３４ｂの共通接続点はリアクトル２２２を介して第２出力端２０２に接続されている。

図３（ａ）のような構成の場合、リアクトルを２台に分割して設けることでインダクタンス成分を均等にすることができるが、その場合１台あたりに流れる電流の大きさは分割しても変わらないため、必要なコアの断面積も変わらない。したがってリアクトルを２台に分割することにより装置が大型化してしまうという問題が生じる。

さらにリアクトルが分割されるため据え付け時の状態（配線経路等）により対地への静電容量成分や対地までのインダクタンス成分が異なってしまうため、電力変換器から印加されるコモンモード電圧によって流れる電流アンバランスが生じてしまう。この電流は負荷（１５０）である電圧源を通して対地に流れるため負荷の異常発熱などを引き起こす危険性がある。

本実施例２では上述の問題を解決することができるリアクトルを図４のように構成した。

図３（ａ）の第１巻線９１、第２巻線９２の各端子の記号ａ，ｂ，ｃ，ｄは図４の記号に対応している。図４において、６０は四角形状のコア（鉄心）であり、１組の対辺の各々の略中央部位で１／２に分割して第１コア部６１（第１鉄心部）および第２コア部６２（第２鉄心部）を形成している。

７０ａ，７０ｂは、第１コア部６１と第２コア部６２の間に形成されたギャップである。尚、ギャップ７０ａ，７０ｂを設けない構成にしてもよい。

第１コア部６１の中央部には第１巻線９１が巻回され、第１巻線９１の一端ａは電力変換部２００の第１出力端２０１および直流コンデンサ３６ａに接続され、他端ｂは負荷１５０の一端（正極端）に接続されている。

第２コア部６２の、前記第１巻線９１と対向する中央部には、第１巻線９１で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向に第２巻線９２が巻回され、第２巻線９２の一端ｃは負荷１５０の他端（負極端）に接続され、他端ｄは電力変換部２００の第２出力端２０２および直流コンデンサ３６ｂに接続されている。

図４のように一つのコア６０に第１、第２巻線９１、９２を巻回することにより、据え付け時の対地に対する静電容量及びインダクタンス成分を等しくすることができるため上述した問題を回避することができる。

そのうえ鉄心（コア６０）を共通化することができるため、リアクトルの体積を大型化しなくとも構成可能であり、リアクトルのコア（６０）にギャップ７０ａ，７０ｂを設けることで生じる漏れインダクタンスによって、コモンモード電圧により生じる対地電流に対しても抑制効果を発揮することが可能となる。

以上のように、コア寸法を大型化することなく対地や負荷に流れる電流リプルを低減できるリアクトルを提供できる。

１４ａ、１４ｂ、３６ａ、３６ｂ…直流コンデンサ
３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ…半導体スイッチング素子
５０、１５０…負荷
６０…コア
６１…第１コア部
６２…第２コア部
７０ａ，７０ｂ…ギャップ
８１、９１…第１巻線
８２、９２…第２巻線
８３…第３巻線
８４…第４巻線
１００、２００…電力変換部
１０１…第１の電力変換器
１０２…第２の電力変換器
２０１…第１出力端
２０２…第２出力端

Claims (4)

1. 複数の電力変換器を備えた電力変換装置のリアクトル構造であって、
   複数の電力変換器を直列又は並列に接続した電力変換部の直流出力側を、電力変換部の正側出力端に接続される巻線と負側出力端に接続される巻線とを同一鉄心に巻回して構成したリアクトルを介して負荷に接続したことを特徴とする電力変換装置のリアクトル構造。
2. 前記負荷の両端間に直列に接続され、中点が接地されたコンデンサの直列回路を備え、
   前記電力変換部は、第１の直流電源の正、負極端間に接続されたコンデンサおよび該コンデンサの両端間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子を有した第１の電力変換器と、第２の直流電源の正、負極端間に接続されたコンデンサおよび該コンデンサの両端間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子を有した第２の電力変換器とを備え、
   前記リアクトルは、四角形状の鉄心を１組の対辺の各々の略中央部位で１／２に分割して形成した第１鉄心部および第２鉄心部を備え、
   前記第１鉄心部の一端側に巻回され、一端が前記第１の電力変換器の第１および第２の半導体スイッチング素子の共通接続点に接続され、他端が前記負荷の一端およびコンデンサの直列回路の一端に接続された第１巻線と、
   前記第１鉄心部の他端側に、前記第１巻線で生じる磁束方向と逆方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が第２の電力変換器の負極端に、他端が前記負荷の他端およびコンデンサの直列回路の他端に接続された第２巻線と、
   前記第２鉄心部の、前記第１巻線と対向する一端側に、前記第１巻線で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が前記第１の電力変換器の負極端に接続された第３巻線と、
   前記第２鉄心部の、前記第２巻線と対向する他端側に、前記第２巻線で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向であり、且つ第３巻線で生じる磁束と逆方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が前記第２の電力変換器の第３および第４の半導体スイッチング素子の共通接続点に接続され、他端が前記第３巻線の他端と接続された第４巻線と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のリアクトル構造。
3. 前記電力変換部は、第１の直流電源の正、負極端間に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子を有した第１の電力変換器と、第２の直流電源の正、負極端間か、又は前記第１の直流電源の正、負極端間に接続されたコンデンサおよび該コンデンサの両端間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子を有した第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器に形成された第１出力端と、前記第２の電力変換器に形成された第２出力端とを備え、
   前記電力変換部の第１出力端と第２出力端の間にコンデンサを直列に接続したコンデンサの直列回路を備え、
   前記リアクトルは、四角形状の鉄心を１組の対辺の各々の略中央部位で１／２に分割して形成した第１鉄心部および第２鉄心部を備え、
   前記第１鉄心部の中央部に巻回され、一端が前記電力変換部の第１出力端に接続され、他端が負荷の一端に接続された第１巻線と、
   前記第２鉄心部の、前記第１巻線と対向する中央部に、前記第１巻線で生じる磁束を強める方向の磁束が生じる方向に巻回され、一端が負荷の他端に接続され、他端が前記電力変換部の第２出力端に接続された第２巻線と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のリアクトル構造。
4. 前記鉄心の、分割した第１鉄心部と第２鉄心部の境界部位にはギャップが形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置のリアクトル構造。

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