JP3520961B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は直流電力を交流電力
に変換するインバータ装置の構成に関する。詳しくはイ
ンバータ回路とその前段に設ける入出力間絶縁用のＤＣ
−ＤＣコンバータ回路からなるインバータ装置の構成に
関する。 【０００２】 【従来の技術】インバータ装置の入出力間に絶縁機能を
求められる例をまず説明する。電話局では電話回線に使
われる直流４８Ｖの電源を流用して、この直流をインバ
ータ装置で交流電力に変換して使われる。直流の４８Ｖ
電源は正極を接地しているので、交流の負荷側で給電線
の１端が接地されても支障がでないようにインバータ装
置内部に入出力間を絶縁する機能の付与が条件づけられ
ている。 【０００３】他の例として需要が急速に伸びている太陽
電池システムを説明する。図３は太陽電池システムから
商用電力系統へ送電（売電）している構成を示したもの
である。太陽電池パネル１１からの直流電力はインバー
タ装置１２のインバータ回路１３で交流電力に変換され
て商用電力系統１４に供給される。太陽電池パネル１１
は多数の太陽電池を直並列に接続したものである。太陽
電池パネル１１は太陽光を受けこれを電気エネルギーに
変換する。太陽光はエネルギー密度が低いため、例えば
１ｋＷの電力を得るのに必要な太陽電池パネル１１の受
光面は約１０ｍ2 と大きなものとなる。太陽電池パネル
１１は建造物上に配置されることが多い。建造物は一般
に接地されていて大地と同電位にある。従って、大きな
面積を持つ太陽電池パネル１１と接地された建造物は電
気的には１種のコンデンサを構成していることになる。 【０００４】何らかの原因で太陽電池パネル１１と大地
間に交流の電位差が生じるとコンデンサを通じて図の点
線のように交流の漏洩電流が流れる。太陽電池で発電さ
れる電気エネルギーが数１０ｋＷ，数１００ｋＷと大き
くなると太陽電池パネル１１と大地間の等価コンデンサ
容量も大きくなり、これにともない太陽電地パネル１１
からの漏洩電流は無視できない大きさになる。漏洩電流
はこれを監視している漏電継電器を動作させ電力系統を
遮断させる原因となる。結果として商用電力で稼働して
いた電気機器類を停止させることになる。 【０００５】次に太陽電池パネルと大地間に生じる交流
の電位差について説明する。一般に三相交流の商用電力
系統１４では人体や機器類の保安を確保するために三相
の給電線のうち、１相、図３の例ではＳ相を接地してい
る。インバータ回路１３の入力の直流部とＳ相の交流出
力との間にはＳ相の交流電圧、周波数に対応した電位差
を生じる。これが太陽電地パネル１１のコンデンサを介
して流れる漏洩電流の発生源である。このような太陽電
池パネル１１から大地への漏洩対策として従来は商用電
力系統１４と太陽電池パネル１１との間に絶縁トランス
を設けて、太陽電池パネル１１が交流電圧で振られるの
を阻止している。漏洩電流の流れるパスを切り離す方法
を図４で説明する。 【０００６】図４は商用周波数のトランスを使ってイン
バータで変換した三相交流電力を絶縁して商用電力系統
に送っている。商用電力系統１４に売電しないで負荷に
直接給電することも行われている。この絶縁用のトラン
ス１５は商用周波数（５０または６０Ｈｚ）で使うため
に大きくて重い部品になり、太陽電池システムをコンパ
クトに構成しようとするときに支障となる。 【０００７】図５では、図４の商用周波数用のトランス
の代替えとして小形で軽量の高周波絶縁トランスをもつ
ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６をインバータ装置１２の
入力の直流回路部に設けている。インバータ装置１２の
直流部がＳ相の交流電圧によって振られてもＤＣ−ＤＣ
コンバータ回路１６の入力部の電位が変化しないので太
陽電池パネル１１から対大地へ漏洩電流が流れることは
ない。 【０００８】次に図５で使われているＤＣ−ＤＣコンバ
ータ回路の絶縁について図６を使って説明する。Ｈｉｎ
ｖは半導体スイッチＱｘ１〜Ｑｘ４で構成したブリッジ
インバータであり直流入力電圧Ｅｉｎを高周波の交流電
圧に変換してトランスＴの１次巻線ｎ１に与える。２次
巻線ｎ２に誘起した交流電圧をダイオード整流回路Ｈｒ
ｅｃで直流に変換してリアクタＬｘとコンデンサＣ２の
フィルタで平滑し出力の直流出力電圧Ｅｏｕｔを得る。
このＤＣ−ＤＣコンバータ回路１３では高周波の交流を
介在させることによって挿入するトランスＴの小形化，
軽量化を図っている。 【０００９】このＤＣ−ＤＣコンバータ回路はまた、図
示されていない制御装置からの制御信号による半導体ス
イッチＱｘ１〜Ｑｘ４の制御によって直流出力電圧Ｅｏ
ｕｔの電圧レベルの制御もおこなう。入力側にあるコン
デンサＣ１は外部の電源からの配電線のインダクタンス
分の影響を緩和きせるために挿入したものである。配電
線のインダクタンスが回路動作に影響しなければ必要と
するものではない。 【００１０】この従来例に使われている高周波トランス
Ｔは大電流（大容量）用になると巻線径が太くなるため
１次と２次巻線間の磁気的な結合を密にする事が困難に
なる。１次と２次の巻線比が１から大きくずれるとこの
結合はさらに粗になる。結合が密にならないのは漏洩イ
ンダクタンスが大きくなるためである。高周波回路であ
るため、漏洩インダクタンスによる電圧降下が無視でき
ないほど大きくなり電圧制御を難しくする。また漏洩イ
ンダクタンス分に蓄えられた電磁エネルギーを有効に使
えないため電力変換効率を低下させてしまう。このため
大容量の電源には使えず、一般に１ｋＷ以下の小容量の
装置に使われる。 【００１１】一般に入出力間の絶縁の手段としては、１
ｋＶＡ以上の容量ではやむなく、大きくかつ重くなる商
用周波数のトランスを採用し、１ｋＶＡ以下の小容量の
装置に限って高周波トランスが使われている。また、高
周波トランスを使用したＤＣ−ＤＣコンバータ回路はそ
の出力の電力を入力側に返還することができない。太陽
電池システムにおいて直流入力に太陽電池と蓄電池を接
続するような場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路が電力の
向きを逆向きにできないため、インバータ装置で蓄電池
の充電ができず、蓄電池の充電装置が別に必要となっ
た。なお、図６の半導体スイッチとしては図示のバイポ
ーラ・トランジスタの他にパワー・ＭＯＳＦＥＴやＩＧ
ＢＴも使われている。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のインバータ装置における前段のＤＣ−ＤＣコンバ
ータ回路は高周波トランスを使用している。大電流用の
高周波トランスを使用すると電圧制御が難しくなり、電
力変換効率も低下する。 【００１３】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、インバータ装置の前段に設置して使うＤＣ−
ＤＣコンバータ回路用で、入・出力間を絶縁でき、かつ
小形で軽量であって制御性低下のない双方向に電力を変
換できる大容量でも実用性のある絶縁手段を有するイン
バータ装置を提供することを目的とする。 【００１４】 【課題を解決するための手段】インバータ装置に実装し
て使用するＤＣ−ＤＣコンバータ回路用のトランスの入
・出力間の粗結合がもたらす問題を解消するために，共
通の巻線を使う。また巻線を一つしか使わないことによ
って失われる入・出力間の絶縁の問題を解消するため、
また電力を双方向に変換するために、半導体素子を共通
巻線の入力側、出力側にそれぞれ直列に挿入して、この
半導体を入力側、出力側それぞれ交互に導通、不導通と
することによって解決する。つまり、本発明は、直流電
圧を受電しこれを交流電圧に変換して給電するインバー
タ装置において、インバータ回路の入力側にＤＣ−ＤＣ
コンバータ回路を設け、このＤＣ−ＤＣコンバータ回路
は、入力する直流入力電圧と並列に接続される第１およ
び第２のコンデンサの直列回路と、前記直流入力電圧の
正極側および負極側に、それぞれ半導体スイッチ回路を
介して接続したリアクタの回路で受け、前記第１および
第２のコンデンサの直列回路の中点をインバータ回路の
出力の接地されている相と接続し、前記リアクタの正極
側および負極側に、それぞれ半導体スイッチ回路を介し
て第３のコンデンサの回路を接続することによって構成
され、前記各半導体スイッチ回路は半導体スイッチとこ
れに逆並列に接続されたダイオードよりなり、前記第３
のコンデンサの直流出力電圧をインバータ回路の入力と
することを特徴とする。 【００１５】 【発明の実施の形態】前述の目的を達成するため、本発
明は、直流電圧を受電しこれを交流電圧に変換して給電
するインバータ装置において、インバータ回路１の入力
側にＤＣ−ＤＣコンバータ回路２を設け、このＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ回路２の構成を、入力する直流入力電圧Ｅ
ｉｎと並列に接続されるコンデンサＣ１と、前記直流入
力電圧Ｅｉｎを正極側および負極側をそれぞれ半導体ス
イッチ回路と直列に接続したリアクタＬの回路で受け、
正極および負極をそれぞれ半導体スイッチ回路と直列接
続したコンデンサＣ２の回路を前記リアクタＬと並列に
接続してなり、前記半導体スイッチ回路は半導体スイッ
チＱ１〜４とこれに逆並列に接続されたダイオードＤ１
〜４よりなり、前記コンデンサＣ２の直流出力電圧Ｅｏ
ｕｔをインバータ回路１の入力とすることを特徴とする
インバータ装置を主旨とする。 【００１６】 【実施例】図１は本発明のインバータ装置に実装して使
われるＤＣ−ＤＣコンバータ部の実施例である。まず、
入力の直流電力をインバータ側に供給する場合である。
直流電源、例えば太陽電池パネルから受けた直流入力電
圧Ｅｉｎを受ける。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２を同時
にオンーオフ動作させる。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２
をオンさせてリアクタＬに図示の極性で電圧を印加する
とｉ１の電流が増加する。これにともない、リアクタＬ
に蓄えられる電磁エネルギが増加する。蓄えられるエネ
ルギーの大きさは１／２×（インダクタンス）×（電
流）2 である。 【００１７】この半導体対Ｑ１−Ｑ２がオンしている期
間にはリアクタＬには図示の極性の電圧が誘起されてい
て、ダイオード対Ｄ３−Ｄ４には逆方向の電圧が加わる
ことになり、通電を阻止されコンデンサ側にはリアクタ
Ｌから電流は流れない。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２を
オフさせるとエネルギー保存則に則りリアクタＬには図
示とは逆の極性の電圧が誘起してダイオード対Ｄ３−Ｄ
４が通電してｉ２の電流が流れ、リアクタＬに蓄えられ
た電磁エネルギーをコンデンサＣ２およびインバータ側
に放出する。コンデンサＣ２の直流出力電圧Ｅｏｕｔが
ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の直流出力となる。このよ
うに半導体スイッチ対Ｑ１ーＱ２のオン、オフによって
入力の直流電力がインバータ回路１側入力に供給され
る。 【００１８】直流出力電圧Ｅｏｕｔは、半導体スイッチ
対Ｑ１−Ｑ２のオン、オフのデューティ比ｘ１を変えて
制御する。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２のスイッチング
・デューティ比ｘ１＝オン期間／（オン期間＋オフ期
間）を変化させると直流出力電圧Ｅｏｕｔは次のように
電圧ゼロから直流入力電圧Ｅｉｎより高いレベルまで変
えられる。 Ｅｏｕｔ＝ｘ１／（１−ｘ１）・Ｅｉｎ （０≦ｘ１＜１） （１） 例えば、ｘ１＝０．５の場合にはＥｏｕｔ＝Ｅｉｎとな
る。式（１）の関係は流れる電流には影響されない。こ
の制御に必要な信号は制御装置（図１には図示されてい
ない）から与えられる。 【００１９】次に、インバータ回路側コンデンサ電圧の
上昇を抑えるためＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力側の
エネルギをＤＣ−ＤＣコンバータ回路の入力側にもどす
場合、また，蓄電池を充電させるため交流側からインバ
ータ回路を通して変換された電力をＤＣ−ＤＣコンバー
タ回路の入力側に供給する場合である。まずインバータ
回路１の入力側電圧となる直流出力電圧Ｅｏｕｔを受け
る。半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４を同時にオンーオフ動
作させる。半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４をオンさせてリ
アクタＬに図示とは逆の極性で電圧を印加するとｉ４の
電流が増加する。これにともない、リアクタＬに蓄えら
れる電磁エネルギが増加する。 【００２０】蓄えられるエネルギーの大きさは１／２×
（インダクタンス）×（電流）2 である。この半導体対
Ｑ３−Ｑ４がオンしている期間にはリアクタＬには図示
とは逆の極性の電圧が誘起されていて、ダイオード対Ｄ
１−Ｄ２には逆方向の電圧が加わることになり、通電を
阻止されコンデンサ側にはリアクタＬから電流は流れな
い。半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４をオフさせるとエネル
ギー保存則に則りリアクタＬには図示の極性の電圧が誘
起してダイオード対Ｄ１−Ｄ２が通電してｉ３の電流が
流れ、リアクタＬに蓄えられた電磁エネルギーをコンデ
ンサＣ１に放出する。このようにインバータ回路１入力
側のエネルギがＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の入力側に
もどされる。また、充電器として使用する場合はコンデ
ンサＣ１の直流入力電圧Ｅｉｎが蓄電池充電電圧とな
る。このように半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４のオン、オ
フによってインバータ入力側の直流電力がＤＣ−ＤＣコ
ンバータ回路２の入力側に返還される。 【００２１】ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の直流入力電
圧Ｅｉｎは半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４のオンとオフの
デューティ比ｘ２を変えて制御する。半導体スイッチ対
Ｑ３−Ｑ４のスイッチング・デューティ比ｘ２＝オン期
間／（オン期間＋オフ期間）を変化させるとＤＣ−ＤＣ
コンバータ回路２の直流入力電圧Ｅｉｎは次のように電
圧ゼロからＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の直流出力電圧
Ｅｏｕｔより高いレベルまで変えられる。 Ｅｉｎ＝ｘ２／（１−ｘ２）・Ｅｏｕｔ （０≦ｘ２＜１） （２） この制御に必要な信号は制御装置（図１には明示されて
いない）から与えられる。ここで半導体スイッチ対Ｑ１
−Ｑ２，Ｑ３−Ｑ４のオン期間は重ならないように制御
する。このように半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２またはＱ
３−Ｑ４がオンしている期間にはダイオード対Ｄ３−Ｄ
４またはＤ１−Ｄ２によって入力と出力の間は切り離さ
れている。つまり絶縁されている。 【００２２】一方、ダイオード対Ｄ３−Ｄ４またはＤ１
−Ｄ２が通電している期間には半導体スイッチ対Ｑ１−
Ｑ２またはＱ３−Ｑ４がオフになっていて、この期間も
入力と出力側は切り離されている。つまり絶縁されてい
る。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２とダイオード対Ｄ３−
Ｄ４または半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４とダイオード対
Ｄ１−Ｄ２がそれぞれ通電する期間は同時には存在しな
いので常に入力と出力側は絶縁された状態が保たれる。 【００２３】図２は本発明の第２の実施例である。図１
の実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の入力側すなわ
ち、太陽電池パネル１１側の両電極間にコンデンサＣ１
ａ，Ｃ１ｂの直列回路を接続し、中点をインバータ装置
出力の接地されている相と結んでいる。すなわち太陽電
池パネル１１の直流電圧の両極をそれぞれコンデンサＣ
１ａ，Ｃ１ｂを介して接地する。これによりインバータ
回路１の入力側、つまりＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の
出力側が大地に対して電位差をもっても、太陽電池パネ
１１自体は大地に対して交流的な電位差を生じなくな
る。この接続法をとれば太陽電池パネル１１の電極の直
流的な電位は大地に対してそれぞれ＋Ｅｉｎ／２と−Ｅ
ｉｎ／２になる。交流的な電位差がなくなるので漏洩電
流は流れない。 【００２４】コンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂの中点をつくら
ずに電極のいずれか一方を接地してもよい。この場合は
非接地極の直流電位がＥｉｎとなり中点をつくった場合
より高くなるのでＥｉｎが高電圧の場合には絶縁耐圧の
制約がでてくる。第１および第２の実施例において半導
体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２，Ｑ３−Ｑ４のオン、オフの繰
り返し周波数を高くする、たとえば２０ｋＨｚとすれば
リアクタＬは小形になり、軽くもなる。第１および第２
の実施例において半導体スイッチＱとしてはバイポーラ
・トランジスタを例示したが、これに限らず，パワー・
ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴも使えることは言うまでもな
い。 【００２５】 【発明の効果】本発明のインバータ装置で使用するＤＣ
−ＤＣコンバータ回路では半導体素子によって入・出力
間の絶縁ができるのでリアクタＬとして図６のような複
数巻線を必要とせず、巻線が１つであることから従来例
のような巻線間の粗結合がもたらす欠陥がなくなり，制
御性，効率がよくなる。また、大容量のリアクタＬでも
実用に供することができる。本発明のインバータ装置で
使用するＤＣ−ＤＣコンバータ回路はその出力の電力を
入力に返還することができ、太陽電池システムで蓄電池
を接続するシステムにおいて，別途充電装置を必要とせ
ずインバータ装置で蓄電池を充電でき、装置の小型化が
できる。半導体スイッチ対のスイッチング周波数を容易
に高められるのでリアクタＬの小形化が図れる。これら
により、本発明を太陽電池システムや接地された直流電
源を入力とするインバータ装置に適用すると装置の制御
性改善、小形化、軽量化、効率向上等に大きく寄与す
る。特に大容量の装置に適用すると顕著な効果がある。
本発明では図６の平滑リアクタＬｘに相当する部品をリ
アクタＬとして設ければよく、トランスＴに相当する部
品を必要としない。これはコストダウンの効果をもたら
す。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の入力の中点を接地する
ことにより太陽電池パネルの対大地間の電位差を小さく
抑えられるので太陽電池パネルに求められる絶縁強度を
低く抑えられる。
に変換するインバータ装置の構成に関する。詳しくはイ
ンバータ回路とその前段に設ける入出力間絶縁用のＤＣ
−ＤＣコンバータ回路からなるインバータ装置の構成に
関する。 【０００２】 【従来の技術】インバータ装置の入出力間に絶縁機能を
求められる例をまず説明する。電話局では電話回線に使
われる直流４８Ｖの電源を流用して、この直流をインバ
ータ装置で交流電力に変換して使われる。直流の４８Ｖ
電源は正極を接地しているので、交流の負荷側で給電線
の１端が接地されても支障がでないようにインバータ装
置内部に入出力間を絶縁する機能の付与が条件づけられ
ている。 【０００３】他の例として需要が急速に伸びている太陽
電池システムを説明する。図３は太陽電池システムから
商用電力系統へ送電（売電）している構成を示したもの
である。太陽電池パネル１１からの直流電力はインバー
タ装置１２のインバータ回路１３で交流電力に変換され
て商用電力系統１４に供給される。太陽電池パネル１１
は多数の太陽電池を直並列に接続したものである。太陽
電池パネル１１は太陽光を受けこれを電気エネルギーに
変換する。太陽光はエネルギー密度が低いため、例えば
１ｋＷの電力を得るのに必要な太陽電池パネル１１の受
光面は約１０ｍ2 と大きなものとなる。太陽電池パネル
１１は建造物上に配置されることが多い。建造物は一般
に接地されていて大地と同電位にある。従って、大きな
面積を持つ太陽電池パネル１１と接地された建造物は電
気的には１種のコンデンサを構成していることになる。 【０００４】何らかの原因で太陽電池パネル１１と大地
間に交流の電位差が生じるとコンデンサを通じて図の点
線のように交流の漏洩電流が流れる。太陽電池で発電さ
れる電気エネルギーが数１０ｋＷ，数１００ｋＷと大き
くなると太陽電池パネル１１と大地間の等価コンデンサ
容量も大きくなり、これにともない太陽電地パネル１１
からの漏洩電流は無視できない大きさになる。漏洩電流
はこれを監視している漏電継電器を動作させ電力系統を
遮断させる原因となる。結果として商用電力で稼働して
いた電気機器類を停止させることになる。 【０００５】次に太陽電池パネルと大地間に生じる交流
の電位差について説明する。一般に三相交流の商用電力
系統１４では人体や機器類の保安を確保するために三相
の給電線のうち、１相、図３の例ではＳ相を接地してい
る。インバータ回路１３の入力の直流部とＳ相の交流出
力との間にはＳ相の交流電圧、周波数に対応した電位差
を生じる。これが太陽電地パネル１１のコンデンサを介
して流れる漏洩電流の発生源である。このような太陽電
池パネル１１から大地への漏洩対策として従来は商用電
力系統１４と太陽電池パネル１１との間に絶縁トランス
を設けて、太陽電池パネル１１が交流電圧で振られるの
を阻止している。漏洩電流の流れるパスを切り離す方法
を図４で説明する。 【０００６】図４は商用周波数のトランスを使ってイン
バータで変換した三相交流電力を絶縁して商用電力系統
に送っている。商用電力系統１４に売電しないで負荷に
直接給電することも行われている。この絶縁用のトラン
ス１５は商用周波数（５０または６０Ｈｚ）で使うため
に大きくて重い部品になり、太陽電池システムをコンパ
クトに構成しようとするときに支障となる。 【０００７】図５では、図４の商用周波数用のトランス
の代替えとして小形で軽量の高周波絶縁トランスをもつ
ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６をインバータ装置１２の
入力の直流回路部に設けている。インバータ装置１２の
直流部がＳ相の交流電圧によって振られてもＤＣ−ＤＣ
コンバータ回路１６の入力部の電位が変化しないので太
陽電池パネル１１から対大地へ漏洩電流が流れることは
ない。 【０００８】次に図５で使われているＤＣ−ＤＣコンバ
ータ回路の絶縁について図６を使って説明する。Ｈｉｎ
ｖは半導体スイッチＱｘ１〜Ｑｘ４で構成したブリッジ
インバータであり直流入力電圧Ｅｉｎを高周波の交流電
圧に変換してトランスＴの１次巻線ｎ１に与える。２次
巻線ｎ２に誘起した交流電圧をダイオード整流回路Ｈｒ
ｅｃで直流に変換してリアクタＬｘとコンデンサＣ２の
フィルタで平滑し出力の直流出力電圧Ｅｏｕｔを得る。
このＤＣ−ＤＣコンバータ回路１３では高周波の交流を
介在させることによって挿入するトランスＴの小形化，
軽量化を図っている。 【０００９】このＤＣ−ＤＣコンバータ回路はまた、図
示されていない制御装置からの制御信号による半導体ス
イッチＱｘ１〜Ｑｘ４の制御によって直流出力電圧Ｅｏ
ｕｔの電圧レベルの制御もおこなう。入力側にあるコン
デンサＣ１は外部の電源からの配電線のインダクタンス
分の影響を緩和きせるために挿入したものである。配電
線のインダクタンスが回路動作に影響しなければ必要と
するものではない。 【００１０】この従来例に使われている高周波トランス
Ｔは大電流（大容量）用になると巻線径が太くなるため
１次と２次巻線間の磁気的な結合を密にする事が困難に
なる。１次と２次の巻線比が１から大きくずれるとこの
結合はさらに粗になる。結合が密にならないのは漏洩イ
ンダクタンスが大きくなるためである。高周波回路であ
るため、漏洩インダクタンスによる電圧降下が無視でき
ないほど大きくなり電圧制御を難しくする。また漏洩イ
ンダクタンス分に蓄えられた電磁エネルギーを有効に使
えないため電力変換効率を低下させてしまう。このため
大容量の電源には使えず、一般に１ｋＷ以下の小容量の
装置に使われる。 【００１１】一般に入出力間の絶縁の手段としては、１
ｋＶＡ以上の容量ではやむなく、大きくかつ重くなる商
用周波数のトランスを採用し、１ｋＶＡ以下の小容量の
装置に限って高周波トランスが使われている。また、高
周波トランスを使用したＤＣ−ＤＣコンバータ回路はそ
の出力の電力を入力側に返還することができない。太陽
電池システムにおいて直流入力に太陽電池と蓄電池を接
続するような場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路が電力の
向きを逆向きにできないため、インバータ装置で蓄電池
の充電ができず、蓄電池の充電装置が別に必要となっ
た。なお、図６の半導体スイッチとしては図示のバイポ
ーラ・トランジスタの他にパワー・ＭＯＳＦＥＴやＩＧ
ＢＴも使われている。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のインバータ装置における前段のＤＣ−ＤＣコンバ
ータ回路は高周波トランスを使用している。大電流用の
高周波トランスを使用すると電圧制御が難しくなり、電
力変換効率も低下する。 【００１３】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、インバータ装置の前段に設置して使うＤＣ−
ＤＣコンバータ回路用で、入・出力間を絶縁でき、かつ
小形で軽量であって制御性低下のない双方向に電力を変
換できる大容量でも実用性のある絶縁手段を有するイン
バータ装置を提供することを目的とする。 【００１４】 【課題を解決するための手段】インバータ装置に実装し
て使用するＤＣ−ＤＣコンバータ回路用のトランスの入
・出力間の粗結合がもたらす問題を解消するために，共
通の巻線を使う。また巻線を一つしか使わないことによ
って失われる入・出力間の絶縁の問題を解消するため、
また電力を双方向に変換するために、半導体素子を共通
巻線の入力側、出力側にそれぞれ直列に挿入して、この
半導体を入力側、出力側それぞれ交互に導通、不導通と
することによって解決する。つまり、本発明は、直流電
圧を受電しこれを交流電圧に変換して給電するインバー
タ装置において、インバータ回路の入力側にＤＣ−ＤＣ
コンバータ回路を設け、このＤＣ−ＤＣコンバータ回路
は、入力する直流入力電圧と並列に接続される第１およ
び第２のコンデンサの直列回路と、前記直流入力電圧の
正極側および負極側に、それぞれ半導体スイッチ回路を
介して接続したリアクタの回路で受け、前記第１および
第２のコンデンサの直列回路の中点をインバータ回路の
出力の接地されている相と接続し、前記リアクタの正極
側および負極側に、それぞれ半導体スイッチ回路を介し
て第３のコンデンサの回路を接続することによって構成
され、前記各半導体スイッチ回路は半導体スイッチとこ
れに逆並列に接続されたダイオードよりなり、前記第３
のコンデンサの直流出力電圧をインバータ回路の入力と
することを特徴とする。 【００１５】 【発明の実施の形態】前述の目的を達成するため、本発
明は、直流電圧を受電しこれを交流電圧に変換して給電
するインバータ装置において、インバータ回路１の入力
側にＤＣ−ＤＣコンバータ回路２を設け、このＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ回路２の構成を、入力する直流入力電圧Ｅ
ｉｎと並列に接続されるコンデンサＣ１と、前記直流入
力電圧Ｅｉｎを正極側および負極側をそれぞれ半導体ス
イッチ回路と直列に接続したリアクタＬの回路で受け、
正極および負極をそれぞれ半導体スイッチ回路と直列接
続したコンデンサＣ２の回路を前記リアクタＬと並列に
接続してなり、前記半導体スイッチ回路は半導体スイッ
チＱ１〜４とこれに逆並列に接続されたダイオードＤ１
〜４よりなり、前記コンデンサＣ２の直流出力電圧Ｅｏ
ｕｔをインバータ回路１の入力とすることを特徴とする
インバータ装置を主旨とする。 【００１６】 【実施例】図１は本発明のインバータ装置に実装して使
われるＤＣ−ＤＣコンバータ部の実施例である。まず、
入力の直流電力をインバータ側に供給する場合である。
直流電源、例えば太陽電池パネルから受けた直流入力電
圧Ｅｉｎを受ける。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２を同時
にオンーオフ動作させる。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２
をオンさせてリアクタＬに図示の極性で電圧を印加する
とｉ１の電流が増加する。これにともない、リアクタＬ
に蓄えられる電磁エネルギが増加する。蓄えられるエネ
ルギーの大きさは１／２×（インダクタンス）×（電
流）2 である。 【００１７】この半導体対Ｑ１−Ｑ２がオンしている期
間にはリアクタＬには図示の極性の電圧が誘起されてい
て、ダイオード対Ｄ３−Ｄ４には逆方向の電圧が加わる
ことになり、通電を阻止されコンデンサ側にはリアクタ
Ｌから電流は流れない。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２を
オフさせるとエネルギー保存則に則りリアクタＬには図
示とは逆の極性の電圧が誘起してダイオード対Ｄ３−Ｄ
４が通電してｉ２の電流が流れ、リアクタＬに蓄えられ
た電磁エネルギーをコンデンサＣ２およびインバータ側
に放出する。コンデンサＣ２の直流出力電圧Ｅｏｕｔが
ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の直流出力となる。このよ
うに半導体スイッチ対Ｑ１ーＱ２のオン、オフによって
入力の直流電力がインバータ回路１側入力に供給され
る。 【００１８】直流出力電圧Ｅｏｕｔは、半導体スイッチ
対Ｑ１−Ｑ２のオン、オフのデューティ比ｘ１を変えて
制御する。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２のスイッチング
・デューティ比ｘ１＝オン期間／（オン期間＋オフ期
間）を変化させると直流出力電圧Ｅｏｕｔは次のように
電圧ゼロから直流入力電圧Ｅｉｎより高いレベルまで変
えられる。 Ｅｏｕｔ＝ｘ１／（１−ｘ１）・Ｅｉｎ （０≦ｘ１＜１） （１） 例えば、ｘ１＝０．５の場合にはＥｏｕｔ＝Ｅｉｎとな
る。式（１）の関係は流れる電流には影響されない。こ
の制御に必要な信号は制御装置（図１には図示されてい
ない）から与えられる。 【００１９】次に、インバータ回路側コンデンサ電圧の
上昇を抑えるためＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力側の
エネルギをＤＣ−ＤＣコンバータ回路の入力側にもどす
場合、また，蓄電池を充電させるため交流側からインバ
ータ回路を通して変換された電力をＤＣ−ＤＣコンバー
タ回路の入力側に供給する場合である。まずインバータ
回路１の入力側電圧となる直流出力電圧Ｅｏｕｔを受け
る。半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４を同時にオンーオフ動
作させる。半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４をオンさせてリ
アクタＬに図示とは逆の極性で電圧を印加するとｉ４の
電流が増加する。これにともない、リアクタＬに蓄えら
れる電磁エネルギが増加する。 【００２０】蓄えられるエネルギーの大きさは１／２×
（インダクタンス）×（電流）2 である。この半導体対
Ｑ３−Ｑ４がオンしている期間にはリアクタＬには図示
とは逆の極性の電圧が誘起されていて、ダイオード対Ｄ
１−Ｄ２には逆方向の電圧が加わることになり、通電を
阻止されコンデンサ側にはリアクタＬから電流は流れな
い。半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４をオフさせるとエネル
ギー保存則に則りリアクタＬには図示の極性の電圧が誘
起してダイオード対Ｄ１−Ｄ２が通電してｉ３の電流が
流れ、リアクタＬに蓄えられた電磁エネルギーをコンデ
ンサＣ１に放出する。このようにインバータ回路１入力
側のエネルギがＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の入力側に
もどされる。また、充電器として使用する場合はコンデ
ンサＣ１の直流入力電圧Ｅｉｎが蓄電池充電電圧とな
る。このように半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４のオン、オ
フによってインバータ入力側の直流電力がＤＣ−ＤＣコ
ンバータ回路２の入力側に返還される。 【００２１】ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の直流入力電
圧Ｅｉｎは半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４のオンとオフの
デューティ比ｘ２を変えて制御する。半導体スイッチ対
Ｑ３−Ｑ４のスイッチング・デューティ比ｘ２＝オン期
間／（オン期間＋オフ期間）を変化させるとＤＣ−ＤＣ
コンバータ回路２の直流入力電圧Ｅｉｎは次のように電
圧ゼロからＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の直流出力電圧
Ｅｏｕｔより高いレベルまで変えられる。 Ｅｉｎ＝ｘ２／（１−ｘ２）・Ｅｏｕｔ （０≦ｘ２＜１） （２） この制御に必要な信号は制御装置（図１には明示されて
いない）から与えられる。ここで半導体スイッチ対Ｑ１
−Ｑ２，Ｑ３−Ｑ４のオン期間は重ならないように制御
する。このように半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２またはＱ
３−Ｑ４がオンしている期間にはダイオード対Ｄ３−Ｄ
４またはＤ１−Ｄ２によって入力と出力の間は切り離さ
れている。つまり絶縁されている。 【００２２】一方、ダイオード対Ｄ３−Ｄ４またはＤ１
−Ｄ２が通電している期間には半導体スイッチ対Ｑ１−
Ｑ２またはＱ３−Ｑ４がオフになっていて、この期間も
入力と出力側は切り離されている。つまり絶縁されてい
る。半導体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２とダイオード対Ｄ３−
Ｄ４または半導体スイッチ対Ｑ３−Ｑ４とダイオード対
Ｄ１−Ｄ２がそれぞれ通電する期間は同時には存在しな
いので常に入力と出力側は絶縁された状態が保たれる。 【００２３】図２は本発明の第２の実施例である。図１
の実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の入力側すなわ
ち、太陽電池パネル１１側の両電極間にコンデンサＣ１
ａ，Ｃ１ｂの直列回路を接続し、中点をインバータ装置
出力の接地されている相と結んでいる。すなわち太陽電
池パネル１１の直流電圧の両極をそれぞれコンデンサＣ
１ａ，Ｃ１ｂを介して接地する。これによりインバータ
回路１の入力側、つまりＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の
出力側が大地に対して電位差をもっても、太陽電池パネ
１１自体は大地に対して交流的な電位差を生じなくな
る。この接続法をとれば太陽電池パネル１１の電極の直
流的な電位は大地に対してそれぞれ＋Ｅｉｎ／２と−Ｅ
ｉｎ／２になる。交流的な電位差がなくなるので漏洩電
流は流れない。 【００２４】コンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂの中点をつくら
ずに電極のいずれか一方を接地してもよい。この場合は
非接地極の直流電位がＥｉｎとなり中点をつくった場合
より高くなるのでＥｉｎが高電圧の場合には絶縁耐圧の
制約がでてくる。第１および第２の実施例において半導
体スイッチ対Ｑ１−Ｑ２，Ｑ３−Ｑ４のオン、オフの繰
り返し周波数を高くする、たとえば２０ｋＨｚとすれば
リアクタＬは小形になり、軽くもなる。第１および第２
の実施例において半導体スイッチＱとしてはバイポーラ
・トランジスタを例示したが、これに限らず，パワー・
ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴも使えることは言うまでもな
い。 【００２５】 【発明の効果】本発明のインバータ装置で使用するＤＣ
−ＤＣコンバータ回路では半導体素子によって入・出力
間の絶縁ができるのでリアクタＬとして図６のような複
数巻線を必要とせず、巻線が１つであることから従来例
のような巻線間の粗結合がもたらす欠陥がなくなり，制
御性，効率がよくなる。また、大容量のリアクタＬでも
実用に供することができる。本発明のインバータ装置で
使用するＤＣ−ＤＣコンバータ回路はその出力の電力を
入力に返還することができ、太陽電池システムで蓄電池
を接続するシステムにおいて，別途充電装置を必要とせ
ずインバータ装置で蓄電池を充電でき、装置の小型化が
できる。半導体スイッチ対のスイッチング周波数を容易
に高められるのでリアクタＬの小形化が図れる。これら
により、本発明を太陽電池システムや接地された直流電
源を入力とするインバータ装置に適用すると装置の制御
性改善、小形化、軽量化、効率向上等に大きく寄与す
る。特に大容量の装置に適用すると顕著な効果がある。
本発明では図６の平滑リアクタＬｘに相当する部品をリ
アクタＬとして設ければよく、トランスＴに相当する部
品を必要としない。これはコストダウンの効果をもたら
す。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の入力の中点を接地する
ことにより太陽電池パネルの対大地間の電位差を小さく
抑えられるので太陽電池パネルに求められる絶縁強度を
低く抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるインバータ装置の回
路構成を示す構成図である。 【図２】本発明の他の実施例におけるインバータ装置の
回路構成を示す構成図である。 【図３】従来例における太陽電池パネルから商用電力系
統への送電システムの構成図である。 【図４】絶縁トランスを用いた従来例における太陽電池
パネルから商用電力系統への送電システムの構成図であ
る。 【図５】ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた従来例における
太陽電池パネルから商用電力系統への送電システムの構
成図である。 【図６】従来のインバータ装置におけるＤＣ−ＤＣコン
バータ回路図である。 【符号の説明】 １ インバータ回路 ２ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路 １１ 太陽電池パネル １２ インバータ装置 １３ インバータ回路 １４ 商用電力系統 １５ トランス １６ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路 Ｃ１，２ コンデンサ Ｃ１ａ，ｂ コンデンサ Ｄ１〜４ ダイオード Ｅｉｎ 直流入力電圧 Ｅｏｕｔ 直流出力電圧 Ｈｒｅｃ ダイオード整流回路 Ｈｉｎｖ ブリッジインバータ Ｌ リアクタ Ｌｘ リアクタ Ｑ１〜４ 半導体スイッチ Ｑｘ１〜ｘ４ 半導体スイッチ Ｔ 高周波トランス
路構成を示す構成図である。 【図２】本発明の他の実施例におけるインバータ装置の
回路構成を示す構成図である。 【図３】従来例における太陽電池パネルから商用電力系
統への送電システムの構成図である。 【図４】絶縁トランスを用いた従来例における太陽電池
パネルから商用電力系統への送電システムの構成図であ
る。 【図５】ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた従来例における
太陽電池パネルから商用電力系統への送電システムの構
成図である。 【図６】従来のインバータ装置におけるＤＣ−ＤＣコン
バータ回路図である。 【符号の説明】 １ インバータ回路 ２ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路 １１ 太陽電池パネル １２ インバータ装置 １３ インバータ回路 １４ 商用電力系統 １５ トランス １６ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路 Ｃ１，２ コンデンサ Ｃ１ａ，ｂ コンデンサ Ｄ１〜４ ダイオード Ｅｉｎ 直流入力電圧 Ｅｏｕｔ 直流出力電圧 Ｈｒｅｃ ダイオード整流回路 Ｈｉｎｖ ブリッジインバータ Ｌ リアクタ Ｌｘ リアクタ Ｑ１〜４ 半導体スイッチ Ｑｘ１〜ｘ４ 半導体スイッチ Ｔ 高周波トランス
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−211764（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−309047（ＪＰ，Ａ)
実開 昭49−72156（ＪＰ，Ｕ)
実開 昭56−100089（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H02M 3/155
H02M 7/48
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 直流電圧を受電しこれを交流電圧に変換
して給電するインバータ装置において、 インバータ回路（１）の入力側にＤＣ−ＤＣコンバータ
回路（２）を設け、 このＤＣ−ＤＣコンバータ回路（２）は、 入力する直流入力電圧（Ｅｉｎ）と並列に接続される第
１および第２のコンデンサ（Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ）の直列回
路と、前記直流入力電圧（Ｅｉｎ）の正極側および負極
側に、それぞれ半導体スイッチ回路を介して接続したリ
アクタ（Ｌ）の回路で受け、前記第１および第２のコンデンサ（Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ）の
直列回路の中点をインバータ回路の出力の接地されてい
る相と接続し、 前記リアクタ（Ｌ）の正極側および負極側に、 それぞれ
半導体スイッチ回路を介して第３のコンデンサ（Ｃ２）
の回路を接続する、 ことによって構成され、 前記各半導体スイッチ回路は半導体スイッチ（Ｑ１〜
４）とこれに逆並列に接続されたダイオード（Ｄ１〜
４）よりなり、 前記第３のコンデンサ（Ｃ２）の直流出力電圧（Ｅｏｕ
ｔ）をインバータ回路（１）の入力とすることを特徴と
するインバータ装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP04457298A JP3520961B2 (ja) | 1998-02-09 | 1998-02-09 | インバータ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04457298A JP3520961B2 (ja) | 1998-02-09 | 1998-02-09 | インバータ装置 |
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| JPH11235024A JPH11235024A (ja) | 1999-08-27 |
| JP3520961B2 true JP3520961B2 (ja) | 2004-04-19 |
Family
ID=12695229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04457298A Expired - Lifetime JP3520961B2 (ja) | 1998-02-09 | 1998-02-09 | インバータ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3520961B2 (ja) |
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-
1998
- 1998-02-09 JP JP04457298A patent/JP3520961B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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