JP6451681B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

太陽光発電システム等で発電された直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系させるために、電力変換装置（系統連系インバータ）が用いられる。この電力変換装置は、直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ、直流を交流に変換するインバータを含む。昇圧コンバータ及びインバータ等のスイッチング素子のスイッチング時に、コモンモード電圧（中性点電位）が変動する。

単相のインバータは、スイッチング素子によるＨブリッジ構成を有し、例えば３レベルＰＷＭ制御される。この制御により、コモンモード電圧が変動する。コモンモード電圧の変動が、大地（アース）に流れる漏れ電流や高周波ノイズの原因になっている。直流電源の一対の出力端子と、昇圧回路の一対の入力端子との間にコモンモードチョークコイルを挿入することにより、高周波ノイズが低減される（特許文献１参照）。

特開２０１１−１４７２３８号公報

昇圧コンバータ及びインバータのスイッチング素子のスイッチング時にリンギングが発生する。従来のコモンモードチョークコイルは、スイッチング周波数程度の低い周波数域においてノイズを低減することができる。ところが、本願発明者による種々の実験によると、リンギング周波数及びその高調波程度の高い周波数域においては、ノイズ低減効果が低いことが判明した。

本発明の目的は、高い周波数域においても十分なノイズ低減効果が得られる電力変換装置を提供することである。

本発明の第１の観点による電力変換装置は、
直流電源の正極及び負極にそれぞれ接続される２つの外部端子と、
接地されるアース端子と、
前記２つの外部端子にそれぞれ接続された２つのノードを含み、前記２つのノードから入力される直流電力をスイッチングして交流電力に変換する電力変換回路と、
グランド導体と、
前記２つの外部端子と前記２つのノードとの間にそれぞれ挿入された２つのインダクタと、
前記グランド導体と前記アース端子との間に挿入された他のインダクタと、
一方の第１の電極が前記２つのノードにそれぞれ接続され、他方の第２の電極が前記グランド導体に接続された２つのコンデンサと
を有する。

外部端子のみならず、アース端子にもインダクタを接続することにより、高周波数域におけるノイズ低減効果を高めることができる。複数のノードに現れるコモンモードノイズが、それぞれコンデンサを通してグランド導体に流れる。電力変換装置から直流電力に向けて流出するコモンモードノイズを低減することができる。

本発明の第２の観点による電力変換装置においては、第１の観点による電力変換装置の構成において、
前記２つの外部端子と前記２つのノードとの間にそれぞれ挿入された前記２つのインダクタ、及び前記グランド導体と前記アース端子との間に挿入された前記インダクタが相互に誘導結合して三相のコモンモードチョークコイルを構成している。

コモンモードチョークコイルを用いることにより、ノイズ低減効果を高めることができる。

外部端子のみならず、アース端子にもインダクタを接続することにより、高周波数域におけるノイズ低減効果を高めることができる。

図１は、実施例１による電力変換装置の等価回路図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、実験で用いた電力変換装置の外部端子、アース端子と、電力変換回路との接続構成を示す等価回路図である。 図３Ａは、実施例１及び比較例による電力変換装置のノイズレベルの測定結果を示すグラフであり、図３Ｂは、比較例による電力変換装置の等価回路図である。 図４は、実施例２による電力変換装置の等価回路図である。 図５Ａは、実施例２による電力変換装置に用いられているインダクタの透過特性Ｓ２１の測定結果を示すグラフであり、図５Ｂは、インダクタの透過特性を測定するときの二端子対回路の等価回路図である。 図６Ａは、実施例２及び比較例による電力変換装置のノイズレベルの測定結果を示すグラフであり、図６Ｂは、比較例による電力変換装置の等価回路図である。 図７は、実施例３による電力変換装置の等価回路図である。 図８は、実施例４による電力変換装置の等価回路図である。 図９は、実施例５による電力変換装置の等価回路図である。

［実施例１］
図１及び図２を参照して、実施例１による電力変換装置について説明する。
図１に、実施例１による電力変換装置の等価回路図を示す。実施例１による電力変換装置は、外部端子Ｔ１、Ｔ２、アース端子ＴＥ、コモンモードチョークコイル１８、及び電力変換回路１０を含む。電力変換回路１０は、昇圧コンバータ２０及びインバータ３０を含み、入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。

外部端子Ｔ１及びＴ２は、それぞれプラス線５１及びマイナス線５２により、直流電源５０の正極及び負極に接続される。アース端子ＴＥはアース線５３により大地に接続（接地）され、地表と同一の電位に固定される。直流電源５０には、例えば太陽電池パネル、燃料電池等が用いられる。外部端子Ｔ１及びＴ２が、それぞれコモンモードチョークコイル１８を介して電力変換回路１０のノードＮ１及びＮ２に接続されている。

コンデンサ１１の一方の電極（第１の電極）がノードＮ１に接続されている。コンデンサ１２の一方の電極（第１の電極）がノードＮ２に接続されている。コンデンサ１１の他方の電極（第２の電極）と、コンデンサ１２の他方の電極（第２の電極）とは、相互に接続されている。コンデンサ１１の第２の電極とコンデンサ１２の第２の電極とが相互に接続された点を、相互接続点Ｐ１ということとする。相互接続点Ｐ１は、電力変換回路１０のグランド導体に接続される。グランド導体の電位が、電力変換回路の基準電位（グランド電位）となる。一般的に、グランド導体として金属製の筐体等が用いられる。コンデンサ１１、１２のように、信号ライン（電源ライン）とグランド導体との間に接続されるコンデンサは、慣用的にＹコンデンサと呼ばれる。本明細書において、信号ライン（電源ライン）とグランド導体との間に接続されるコンデンサをＹコンデンサという。

コモンモードチョークコイル１８は、３つのインダクタ１５、１６、１７を含む。コモンモードチョークコイル１８のコアには、例えばフェライトを用いることができる。インダクタ１５は、外部端子Ｔ１とノードＮ１との間に挿入されている。インダクタ１６は、外部端子Ｔ２とノードＮ２との間に挿入されている。インダクタ１７は、相互接続点Ｐ１とアース端子ＴＥとの間に接続されている。コモンモードチョークコイル１８は、電力変換回路１０から外部端子Ｔ１、Ｔ２及びアース端子ＴＥに向かうコモンモードノイズ電流によって発生する磁束が相互に強め合うように接続されている。

昇圧コンバータ２０は、リアクトル２１、フリーホイールダイオード２２、及びスイッチング素子２３を含む。スイッチング素子２３に、ダイオード２４が並列に接続されている。昇圧コンバータ２０の出力が、インバータ３０に入力される。昇圧コンバータ２０の出力側の直流ラインに平滑コンデンサ４０が接続されている。

インバータ３０は、例えばＨブリッジ接続された４つのスイッチング素子３１、３２、３３、３４を含む。スイッチング素子３１と３２との相互接続点、及びスイッチング素子３３と３３との相互接続点が、それぞれ単相交流電力を出力するノードＮ３及びＮ４となる。

スイッチング素子２３、３１、３２、３３、３４には、例えばパワー半導体素子が用いられる。パワー半導体素子は、その動作によって発生する熱を逃がすために、一般的に、筐体等のグランド導体に接触しており、グランド導体がヒートシンクとして利用される。このため、スイッチング素子２３、３１、３２、３３、３４とグランド導体との電磁気的結合によって、スイッチング動作によって発生したノイズがグランド導体に伝搬し易くなる。

次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、実施例１による電力変換装置において、三相のコモンモードチョークコイル１８を採用するに至る根拠となった実験について説明する。
図２Ａ及び図２Ｂに、実験で用いた電力変換装置の外部端子Ｔ１、Ｔ２、アース端子ＴＥと、電力変換回路１０と直流電源５０との接続構成を示す。電力変換回路１０のノードＮ１、Ｎ２が、それぞれ外部端子Ｔ１、Ｔ２に直接接続されている。Ｙコンデンサ１１と１２との相互接続点Ｐ１が、アース端子ＴＥに直接接続されている。外部端子Ｔ１及びＴ２が、それぞれプラス線５１及びマイナス線５２により直流電源５０の正極及び負極に接続される。アース端子ＴＥがアース線５３により接地される。

電力変換装置を実際に動作させて、プラス線５１、マイナス線５２、及びアース線５３から発生するノイズのレベルを、測定器５５で測定した。

図２Ａに示すように、プラス線５１及びマイナス線５２の２本をプローブで挟んで測定したノイズレベルと、図２Ｂに示すようにプラス線５１、マイナス線５２、及びアース線５３の３本をプローブで挟んで測定したノイズレベルとを比較した。１００ｋＨｚ程度の低周波数域においては、図２Ｂの方法で測定したノイズレベルが図２Ａの方法で測定したノイズレベルより低いが、１ＭＨｚ以上の高周波数域においては、両者に大きな差が見られなかった。

図２Ａ及び図２Ｂに示した実験の結果から、以下の知見が得られる。
１００ｋＨｚ程度の低周波数域では、プラス線５１及びマイナス線５２を流れるノイズ電流と、アース線５３を流れるノイズ電流とが逆相（ディファレンシャルモード）であると考えられる。これに対し、１ＭＨｚ以上の高周波数域においては、プラス線５１及びマイナス線５２を流れるノイズ電流と、アース線５３を流れるノイズ電流がほぼ同相（コモンモード）であると考えられる。従って、プラス線５１、マイナス線５２、及びアース線５３の３本に三相のコモンモードチョークコイルを挿入することにより、１ＭＨｚ以上の高周波数域において、コモンモードノイズを低減することができると考えられる。

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、実施例１による電力変換装置の優れた効果について説明する。実施例１及び比較例による電力変換装置の動作中にプラス線５１、マイナス線５２、及びアース線５３から発生するノイズのレベルを測定した。

図３Ｂに、比較例による電力変換装置の等価回路図を示す。比較例による電力変換装置においては、Ｙコンデンサ１１、１２の相互接続点Ｐ１が、コモンモードチョークコイル１８を経由することなく、アース端子ＴＥに直接接続されている。コモンモードチョークコイル１８の３つのインダクタのうち使用されていないインダクタはオープン状態である。その他の構成は、実施例１による電力変換装置の構成と同一である。

図３Ａに、実施例１（図１）及び比較例（図３Ｂ）による電力変換装置のノイズレベルの測定結果を示す。横軸は周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸はノイズレベルを単位「ｄＢμＶ」で表す。図３Ａ中の太い実線ａ１が、実施例１による電力変換装置の外部端子Ｔ２からマイナス線５２に流出するノイズのレベルを示し、細い実線ａ２が、比較例による電力変換装置の外部端子Ｔ２からマイナス線５２に流出するノイズのレベルを示す。

周波数約１．２ＭＨｚ及び２５ＭＨｚの近傍に、スイッチングに起因するリンギングに基づくノイズが発生していることがわかる。実施例１の構成を採用することにより、比較例の構成に比べて、１．２ＭＨｚ及び２５ＭＨｚにおけるノイズレベルが低下している。特に、周波数２５ＭＨｚの近傍におけるノイズレベルの低下が顕著である。このノイズレベルの低下は、プラス線５１、マイナス線５２、及びアース線５３に三相のコモンモードチョークコイル１８を挿入したことの効果である。

さらに、実施例１においては、電力変換回路１０のノードＮ１、Ｎ２から接地点までのインピーダンスが高くなる。これにより、アース線５３に伝導する漏れ電流を少なくすることができる。プラス線５１に挿入されたインダクタ１５及びマイナス線５２に挿入されたインダクタ１６に、相互に逆向きの直流電流が流れる。この直流電流により発生する磁束は相互に打ち消し合うため、インダクタ１５、１６の磁心の飽和が生じにくい。

図１に示した実施例において、必ずしもＹコンデンサ１１、１２を配置する必要はない。Ｙコンデンサ１１、１２を省略することも可能である。Ｙコンデンサ１１、１２を省略した場合には、インダクタ１７はグランド導体とアース端子ＴＥとを接続する。コモンモードチョークコイル１８を配置することにより、スイッチング素子２３、３１、３２、３３、３４からグランド導体に伝搬したノイズ、及びノードＮ１、Ｎ２に現れるノイズの、プラス線５１、マイナス線５２、及びアース線５３への流出を抑制する効果が得られる。

［実施例２］
次に、図４から図６Ａ、図６Ｂまでの図面を参照して、実施例２による電力変換装置について説明する。以下、実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図４に、実施例２による電力変換装置の等価回路図を示す。実施例１では、インダクタ１５、１６、１７が三相のコモンモードチョークコイル１８（図１）を構成していた。図４に示した実施例２では、インダクタ１５、１６、１７が個別のコイルで構成されており、誘導結合していない。３つのインダクタ１５、１６、１７の電磁気的特性は同一である。

図５Ａ及び図５Ｂを参照して、インダクタ１５、１６、１７の各々の電気的特性について説明する。インダクタ１５で図５Ｂに示す二端子対回路を構成し、透過特性Ｓ２１を測定した。

図５Ａに、透過特性Ｓ２１の測定結果を示す。横軸は周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸は透過特性Ｓ２１を単位「ｄＢ」で表す。Ｓ２１が小さいほど、挿入損失が大きいことを意味する。周波数約２０ＭＨｚにおいて、挿入損失が極大値を示している。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、実施例２による電力変換装置の優れた効果について説明する。実施例２及び比較例による電力変換装置の動作中に外部端子Ｔ２からマイナス線５２に流出するノイズのレベルを測定した。

図６Ｂに、比較例による電力変換装置の等価回路図を示す。比較例による電力変換装置においては、Ｙコンデンサ１１、１２の相互接続点Ｐ１が、インダクタを経由することなくアース端子ＴＥに直接接続されている。その他の構成は、実施例２による電力変換装置（図４）の構成と同一である。

図６Ａに、実施例２及び比較例による電力変換装置のノイズレベルの測定結果を示す。横軸は周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸はノイズレベルを単位「ｄＢμＶ」で表す。図６Ａ中の太い実線ｂ１が、実施例２による電力変換装置の外部端子Ｔ２からマイナス線５２に流出するノイズのレベルを示し、細い実線ｂ２が、比較例による電力変換装置の外部端子Ｔ２からマイナス線５２に流出するノイズのレベルを示す。

周波数２０ＭＨｚの近傍において、実施例２による電力変換装置のノイズレベルが、比較例による電力変換装置のノイズレベルより低いことがわかる。ノイズレベルの低下は、２０ＭＨｚで挿入損失が極大値を示すインダクタ１７をアース線５３に挿入したことの効果である。

実施例２のように、アース線５３にインダクタ１７（図４）を挿入することにより、ノイズレベルの低減効果が得られる。実施例１の三相のコモンモードチョークコイル１８（図１）を使用する場合に比べて、汎用性の高い個別のインダクタを使用することができるため、コスト低減を図ることが可能である。さらに、インダクタ１５、１６、１７（図３）の配置位置の自由度が高くなる。

実施例２においても、図１に示した実施例１と同様に、Ｙコンデンサ１１、１２を省略することも可能である。Ｙコンデンサ１１、１２を省略した場合には、グランド導体とアース端子ＴＥの間に挿入されたインダクタ１７により、グランド導体に発生したノイズの、アース線５３への流出を抑制する効果が得られる。

［実施例３］
次に、図７を参照して、実施例３による電力変換装置について説明する。以下、実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。実施例１では、電力変換回路１０の入力側に三相のコモンモードチョークコイル１８が挿入されていたが、実施例３では、電力変換回路１０の出力側に三相のコモンモードチョークコイル１８が挿入されている。なお、入力側と出力側の両方に三相のコモンモードチョークコイル１８を挿入してもよい。

図７に、実施例３による電力変換装置の等価回路図を示す。電力変換装置の出力側の外部端子Ｔ３、Ｔ４に、電力系統７０が接続される。アース端子ＴＥが接地される。

電力変換回路１０の出力側のノードＮ３、Ｎ４と、インバータ３０の出力ノードとの間に２つのインダクタ６２及びコンデンサ６１が配置されている。２つのインダクタ６２は、それぞれインバータ３０の２本の出力線に挿入される。コンデンサ６１は、２本の出力線同士を接続する。２本の信号ライン（電源ライン）同士を接続するコンデンサは、慣用的にＸコンデンサと呼ばれる。Ｘコンデンサ６１は、ディファレンシャルモードノイズを低減させる。

ノードＮ３と外部端子Ｔ３との間にインダクタ１５が挿入され、ノードＮ４と外部端子Ｔ４との間にインダクタ１６が挿入されている。Ｙコンデンサ６３の一方の電極（第１の電極）がノードＮ３に接続され、Ｙコンデンサ６４の一方の電極（第１の電極）がノードＮ４に接続されている。Ｙコンデンサ６３の他方の電極（第２の電極）は、Ｙコンデンサ６４の他方の電極（第２の電極）に接続されている。Ｙコンデンサ６３とＹコンデンサ６４との相互接続点Ｐ２とアース端子ＴＥとの間にインダクタ１７が接続されている。インダクタ１５、１６、１７により三相のコモンモードチョークコイル１８が構成される。さらに、相互接続点Ｐ２は、グランド導体に接続されている。

実施例３においても、三相のコモンモードチョークコイル１８を挿入したことにより、外部端子Ｔ３、Ｔ４から電力系統７０に流出するコモンモードノイズのレベルを低下させることができる。なお、図１に示した実施例１と同様に、Ｙコンデンサ６３、６４を省略することも可能である。

［実施例４］
次に、図８を参照して、実施例４による電力変換装置について説明する。以下、実施例３（図７）との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８に、実施例４による電力変換装置の等価回路図を示す。実施例３では、インダクタ１５、１６、１７による三相のコモンモードチョークコイル１８（図７）が構成されているが、実施例４では、インダクタ１５、１６、１７の３つのインダクタが相互に独立している。

実施例４においては、図４に示した実施例２による電力変換装置と同様に、外部端子Ｔ３、Ｔ４から電力系統７０へのコモンモードノイズの流出を抑制することができる。なお、図７に示した実施例３と同様に、Ｙコンデンサ６３、６４を省略することも可能である。

［実施例５］
次に、図９を参照して、実施例５による電力変換装置について説明する。以下、実施例３（図７）との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８に、実施例４による電力変換装置の等価回路図を示す。実施例３では、電力変換装置が接続される電力系統７０が単相であったが、実施例５では、電力変換装置が三相の電力系統７０に接続される。

実施例３のインバータ３０（図７）は、２つのスイッチング素子ペアを有していたが、実施例５では、インバータ３０が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相用の３つのスイッチング素子ペア、及び３つの出力側のノードＮＵ、ＮＶ、ＮＷを有している。さらに、これに対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相用の外部端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷ、及びアース端子ＴＥを有している。ノードＮＵ、ＮＶ、ＮＷに、それぞれＹコンデンサ１９Ｕ、１９Ｖ、１９Ｗの一方の電極（第１の電極）が接続されている。Ｙコンデンサ１９Ｕ、１９Ｖ、１９Ｗの他方の電極（第２の電極）は相互に接続されている。

ノードＮＵ、ＮＶ、ＮＷを、それぞれ外部端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷに接続する３本の電源線、及びＹコンデンサ１９Ｕ、１９Ｖ、１９Ｗの第２の電極の相互接続点Ｐ３をアース端子ＴＥに接続するアース線に、四相のコモンモードチョークコイル１８が挿入されている。相互接続点Ｐ３は、グランド導体に接続されている。

実施例５においても、図７に示した実施例３と同様に、外部端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷから電力系統７０に流出するコモンモードノイズのレベルを低減することができる。なお、図７に示した実施例３と同様に、Ｙコンデンサ１９Ｕ、１９Ｖ、１９Ｗを省略することも可能である。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 電力変換装置
１１、１２ Ｙコンデンサ
１５、１６、１７ インダクタ
１８ 三相コモンモードチョークコイル
１９Ｕ、１９Ｖ、１９Ｗ Ｙコンデンサ
２０ 昇圧コンバータ
２１ リアクトル
２２ フリーホイールダイオード
２３ スイッチング素子
２４ ダイオード
３０ インバータ
３１、３２、３３、３４ スイッチング素子
４０ 平滑コンデンサ
５０ 直流電源
５１ プラス線
５２ マイナス線
５３ アース線
５５ 測定器
６１ Ｘコンデンサ
６２ インダクタ
６３、６４ Ｙコンデンサ
７０ 電力系統
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、ＮＵ、ＮＶ、ＮＷ ノード
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、ＴＵ、ＴＶ、ＴＷ 外部端子
ＴＥ アース端子

Claims (2)

1. 直流電源の正極及び負極にそれぞれ接続される２つの外部端子と、
   接地されるアース端子と、
   前記２つの外部端子にそれぞれ接続された２つのノードを含み、前記２つのノードから入力される直流電力をスイッチングして交流電力に変換する電力変換回路と、
   グランド導体と、
   前記２つの外部端子と前記２つのノードとの間にそれぞれ挿入された２つのインダクタと、
   前記グランド導体と前記アース端子との間に挿入された他のインダクタと、
   一方の第１の電極が前記２つのノードにそれぞれ接続され、他方の第２の電極が前記グランド導体に接続された２つのコンデンサと
   を有する電力変換装置。
2. 前記２つの外部端子と前記２つのノードとの間にそれぞれ挿入された前記２つのインダクタ、及び前記グランド導体と前記アース端子との間に挿入された前記インダクタが相互に誘導結合して三相のコモンモードチョークコイルを構成している請求項１に記載の電力変換装置。
   

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