JP6797748B2

JP6797748B2 - 電力変換装置及び電力変換システム

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Publication number: JP6797748B2
Application number: JP2017095561A
Authority: JP
Inventors: 光平長谷川; 佐理前川; 壮紀安住; 淳彦葛巻
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: TWI678870B; TW201843914A; JP2018161024A

Description

本発明の実施形態は、外部より入力される電力を変換して負荷に出力する装置及びシステムに関する。

例えばインバータのような電力変換装置や、モータのような負荷装置が備える金属部材が対地電位と対向するように配置されていると両者の間に寄生容量が形成され、その寄生容量を介して漏れ電流が生じる。漏れ電流は、機械装置の劣化や予期せぬ感電を招くため、可能な限り０Ａに近付ける必要がある。また、半導体スイッチング素子の高性能化により電力変換装置の動作高周波が高くなっている。高周波化に伴い、寄生容量のインピーダンスが低下するため、漏れ電流対策がより重要となる。

特許第５７０１６３１号公報

漏れ電流を抑制するためには、例えば、コモンモードに対するインピーダンスを高くする。具体的には、接地電位と対向金属との距離を長くしたり、電力線に高いインダクタンスのコモンモードチョークコイルを挿入する等の対策を行う。しかしながら、これらの対策は、何れも電力変換装置を大型化することに繋がるという問題がある。また、漏れ電流対策以外に電磁ノイズの抑制を目的として、接地電位に対しコンデンサを意図的に接続することがある。この場合、ノイズ抑制効果を低周波寄りで効かせるために大容量のコンデンサを選択すると、漏れ電流の増加を招いてしまう。

そこで、大型化を回避しつつ漏れ電流を抑制できる機能を備えた電力変換装置及び電力変換システムを提供する。

実施形態の電力変換装置は、外部より入力される電力を変換して出力する第１電力変換回路と、
この第１電力変換回路にＤＣリンク部を介して接続され、入力される電力を変換して負荷に出力する第２電力変換回路と、
前記第１電力変換回路の出力部及び前記第２電力変換回路の入力部に設けられる平滑コンデンサと、
前記第１電力変換回路の入力部に設けられる第１コモンモード電流抽出回路と、
前記第２電力変換回路の出力部に設けられる第２コモンモード電流抽出回路と、
前記第１コモンモード電流抽出回路と、前記第２コモンモード電流抽出回路とを接続する仮想中性電位線と、
前記ＤＣリンク部と前記仮想中性電位線との間に接続されるＹ型コンデンサを有するＤＣリンクフィルタ回路と、
前記第１コモンモード電流抽出回路から、前記ＤＣリンクフィルタ回路における前記Ｙ型コンデンサの接続点に至るまでの経路に挿入される第１コモンモードコイルと、
前記Ｙ型コンデンサの接続点から、前記第２コモンモード電流抽出回路に至るまでの経路に挿入される第２コモンモードコイルとを備える。

尚、ここでの「Ｙ型コンデンサ」とは、２つのコンデンサの一端を共通に接続したもので、前記共通の一端が仮想中性電位線に接続され、２つのコンデンサそれぞれの他端が、ＤＣリンク部において第１，第２電力変換回路間を接続している線路にそれぞれ接続されるものを意味する。
そして、前記第１及び第２コモンモードコイルは直列に接続されて、前記ＤＣリンクフィルタ回路内に配置されており、
前記Ｙ型コンデンサは、前記第１及び第２コモンモードコイルの共通接続点と前記仮想中性電位線との間に接続されている。

第１実施形態であり、三相交流入力／三相交流出力構成の電力変換装置を示す機能ブロック図第２実施形態であり、ＤＣリンクフィルタ回路の構成を部分的に示す図第３実施形態であり、第１実施形態の構成をより詳細に示す図第３実施形態の構成を適用した場合に発生する漏れ電流の波形を示す図従来構成を適用した場合に発生する漏れ電流の波形を示す図第４実施形態であり、パワーコンディショナに適用した電力変換装置を示す機能ブロック図第５実施形態であり、第２電力変換回路を並列化した電力変換装置を示す機能ブロック図第６実施形態であり、電力変換装置の構成を簡略的に示す機能ブロック図第７実施形態であり、電力変換装置の構成を簡略的に示す機能ブロック図第８実施形態であり、電力変換装置の構成を簡略的に示す機能ブロック図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１を参照して説明する。図１は、三相交流入力／三相交流出力構成の電力変換装置を示す。電力変換装置１は、入力側に配置され第１電力変換回路に相当するコンバータ２を備えている。コンバータ２の三相入力端子は、三相交流電源３の各相端子に、外部インピーダンス調整回路４を介してそれぞれ接続されている。外部インピーダンス調整回路４は、各相に対応するコイル４ｕ，４ｖ，４ｗを有している。

また、コンバータ２の三相入力端子には、第１コモンモード抽出回路５が接続されている。第１コモンモード抽出回路５は、例えば図示しない各相に対応するコンデンサを備え、それら３つのコンデンサの一端は対応する相にそれぞれ接続されており、他端は仮想中性電位線６に共通に接続されている。コモンモード抽出回路５は、三相交流電源線に流れるコモンモード電流を抽出して仮想中性電位線６に流す。尚、コモンモード抽出回路５は、三相コンデンサと仮想中性電位線６との間に直列に接続されるコモンモードチョークコイルを備えていても良い。コンバータ２は、入力される三相交流電源を直流電源に変換して出力する。

コンバータ２の出力端子は、ＤＣリンク部７を介して、出力側に配置され第２電力変換回路に相当するインバータ８の入力端子に接続されている。ＤＣリンク部７には、ＤＣリンクフィルタ回路９が挿入されている。フィルタ回路９は、コモンモードチョークコイル１０及び１１の直列回路を備え、コイル１０の一端はコンバータ２の出力端子に、コイル１１の一端はインバータ８の入力端子にそれぞれ接続されている。つまり、コイル１０及び１１の直列回路は、コンバータ２からインバータ８に至るまでの経路に挿入されている。コイル１０，１１は、それぞれ第１，第２コモンモードチョークコイルに相当する。

コイル１０及び１１の共通接続点には、２つのコンデンサ１２ａ，１２ｂの一端がそれぞれ接続されており、コンデンサ１２ａ，１２ｂの他端は仮想中性電位線６に共通に接続されている。以下では、この他端が共通に接続された２つのコンデンサ１２ａ，１２ｂを、Ｙ型コンデンサ１２と称すことがある。フィルタ回路９は、所謂Ｔ型コモンモードフィルタである。また、コンバータ２の出力端子間と、インバータ８の入力端子間には、それぞれ平滑コンデンサ１３，１４が接続されている。

インバータ８の各相出力端子は、負荷である三相モータ１５の各相ステータコイルに接続されている。また、上記各相出力端子と仮想中性電位線６との間には、第１コモンモード抽出回路５と同様の第２コモンモード抽出回路１６が接続されている。モータ１５の筐体と電源３とは、それぞれ大地Ｅに接地されている。また、仮想中性電位線６と大地Ｅとの間には、ＬＣフィルタ回路１７が接続されている。ＬＣフィルタ回路１７は、仮想中性電位線６と大地Ｅとの間に接続されるコンデンサ１８と、このコンデンサ１８に並列に接続されるコイル１９及びコンデンサ２０の直列回路を備えている。

以上のように構成される本実施形態によれば、特許文献１の従来構成に比較して、ＤＣリンク部７にＤＣリンクフィルタ回路９を備え、加えて、ＤＣリンクフィルタ回路９と大地Ｅとの間にＬＣフィルタ回路１７を備えることで、漏れ電流の抑制効果をより高めることができる。また、外部インピーダンス調整回路４を設け、仮想中性電位線６側のインピーダンスを相対的に低下させることで、漏れ電流の抑制効果を更に高めることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図２は、ＤＣリンクフィルタ回路９に替わる第２実施形態のＤＣリンクフィルタ回路２１の構成を部分的に示すものである。ＤＣリンクフィルタ回路２１は、Ｙコンデンサ１２の共通接続点と仮想中性電位線６との間に、コイル２２が挿入されている。このようなＤＣリンクフィルタ回路２１を用いることで、漏れ電流を抑制する周波数の選択性を高めることができる。

（第３実施形態）
図３に示す第３実施形態の電力変換装置２３は、第１実施形態における電力変換装置１の各構成部分をより具体的に示すと共に、一部の構成を変更したものである。第１コモンモード抽出回路５は、第１実施形態で説明したように各相に対応するコンデンサ５ｕ，５ｖ，５ｗを備えている。第２コモンモード抽出回路１６は、各相に対応するコンデンサ１６ｕ，１６ｖ，１６ｗと、これらと仮想中性電位線６との間に接続されるコモンモードチョーコイル１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃとを備えている。

コンバータ２及びインバータ８は、６個のスイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成されている。各スイッチング素子には、還流ダイオードＧＡ逆並列に接続されており、各相アーム間には、それぞれコンデンサが並列に接続されている。尚、モータ１５については、各相ステータコイル１５ｕ，１５ｖ，１５ｗと共に、配線抵抗や配線インダクタンス，大地Ｅとの間に形成される寄生容量を示している。また、ＬＣフィルタ回路１７についてはバリエーションとして、仮想中性電位線６と大地Ｅとの間に接続する方向を第１実施形態とは逆にしている。

ＬＣフィルタ回路１７の時定数は、共振現象によって、コンバータ２，インバータ８におけるスイッチング周波数よりも高い周波数でピークが生じる漏れ電流の成分を抑制するため、前記ピークが生じる周波数で低インピーダンスとなるように設定する。この時、ＬＣフィルタ回路１７の合計容量は、スイッチング周波数での漏れ電流成分が問題にならない程度に設定する。

図５は特許文献１の従来構成，図４は第３実施形態の構成についてそれぞれ発生する漏れ電流波形を示したものである。第３実施形態の構成では、漏れ電流の最大振幅が、従来構成に対して１／４程度となっている。

（第４実施形態）
図６に示す第４実施形態の電力変換装置３１は、例えば太陽光発電装置等に使用されるパワーコンディショナに適用した場合である。電源３２は例えば太陽電池であり、直流電力を生成して出力する。第１電力変換回路に相当するＤＣ−ＤＣコンバータ３３は、電源３２に外部インピーダンス調整回路３４を介して接続されている。外部インピーダンス調整回路３４は、例えばコモンモードチョークコイルで構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３３の入力端子と仮想中性電位線６との間には、第１コモンモード抽出回路３５が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３３は、入力される直流電圧を異なる電圧に変換して出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３３の出力端子は、ＤＣリンク部７を介して第２電力変換回路に相当するＤＣ−ＡＣインバータ３６の入力端子に接続されている。インバータ３６の出力端子は、外部インピーダンス調整回路３７を介して負荷３８に接続されている。インバータ３６は、入力される直流電力を単相交流電力に変換して負荷３８に出力する。負荷３８は、例えば商用交流電源系統の単相交流電源線である。インバータ３６の出力端子と仮想中性電位線６との間には、第２コモンモード抽出回路３９が接続されている。尚、コモンモード抽出回路３５，３９については、漏れ電流やノイズの発生状況に応じてインピーダンス調整が必要となる場合に接続すれば良い。
以上のように構成される第４実施形態によれば、電力変換装置３１をパワーコンディショナに適用できる。

（第５実施形態）
図７に示す第５実施形態の電力変換装置４１は、ＤＣリンク部７に２つの第２電力変換回路が並列に接続された構成である。ＤＣリンク部７と、負荷４２との間に外部インピーダンス調整回路４３を介して接続されるコンバータ４４は、ＤＣ−ＤＣ変換を行う。外部インピーダンス調整回路４３は、コモンモードチョークコイル４３ａと、負荷４２側の端子間に接続されるコンデンサ４３ｂとを備えている。コンバータ４４の出力端子と仮想中性電位線６との間には、第２コモンモード抽出回路３９が接続されている。仮想中性電位線６には電流制限回路４５が挿入されている。電流制限回路４５は、仮想中性電位線６に過大な電流が流れるのを阻止するために配置され、例えば抵抗単体やインダクタ単体の他に、ＲＣ並列回路等の周波数特性を考慮したもので構成される。

コンバータ２の出力端子には、もう１つのＤＣリンクフィルタ回路４６を介して、平滑コンデンサ４７，インバータ８及び三相モータ１５が接続されている。フィルタ回路４６は並列ＤＣリンクフィルタ回路に相当する。インバータ８の各相出力端子は、それぞれコモンモード抽出回路１６の入力端子に接続されている。ＤＣリンクフィルタ回路４６を構成するＹ型コンデンサの共通接続点は、仮想中性電位共有線４８を介して仮想中性電位線６に接続されている。コモンモード抽出回路１６と仮想中性電位共有線４８との間には、もう１つの電流制限回路４９が接続されている。

尚、仮想中性電位共有線４８の接続形態は図示したものに限らず、電力線でない部分に接続すれば良い。複数の周波数で漏れ電流が大きくなる場合には、該当する周波数でＬＣフィルタ回路１７が低インピーダンスとなるように時定数を設計する。

以上のように構成される第５実施形態によれば、ＤＣリンク部７に、第２電力変換回路であるコンバータ４４，インバータ８を並列に接続し、且つ仮想中性電位線６を共有することでそれぞれ動作させる構成おいても、漏れ電流を抑制できる。

（第６〜第８実施形態）
第６〜第８実施形態は、第１及び第２コモンモードチョークコイルを挿入する位置のバリエーションを示す。尚、これらの実施形態に対応する図８から図１０では、第１実施形態に対応する構成の符号を付して簡略的に示しており、ＤＣリンク部９におけるＹ型コンデンサ１２も１つのコンデンサのシンボルで示している。

図８に示す第６実施形態では、コモンモードチョークコイル１１を、インバータ８からコモンモード抽出回路１６に至るまでの経路に挿入したものである。
図９に示す第７実施形態では、コモンモードチョークコイル１０を、コモンモード抽出回路５からコンバータ２に至るまでの経路に挿入したものである。

図１０に示す第８実施形態では、コモンモードチョークコイル１０をコモンモード抽出回路５からコンバータ２に至るまでの経路に挿入すると共に、コモンモードチョークコイル１１をインバータ８からコモンモード抽出回路１６に至るまでの経路に挿入したものである。これらのように構成した場合も、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（その他の実施形態）
第１電力変換回路は、ダイオード整流により電力変換を行う構成でも良い。
第１〜第４，第６〜第８実施形態において、仮想中性電位線６に電流制限回路を挿入しても良い。
第１〜第４，第６〜第８実施形態の電力変換装置を２以上並列に用いる際に、それらの仮想中性電位線６を共通に接続することで電力変換システムを構成しても良い。
第５実施形態において、第２電力変換回路以降の構成を３並列以上接続しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は電力変換装置、２はコンバータ、４は外部インピーダンス調整回路、５はコモンモード抽出回路、６は仮想中性電位線、７はＤＣリンク部、８はインバータ、９はＤＣリンクフィルタ回路、１０及び１１はコモンモードチョークコイル、１２はＹ型コンデンサ、１３及び１４は平滑コンデンサ、１５は三相モータ、１６はコモンモード抽出回路、１７はＬＣフィルタ回路である。

Claims

外部より入力される電力を変換して出力する第１電力変換回路と、
この第１電力変換回路にＤＣリンク部を介して接続され、入力される電力を変換して負荷に出力する第２電力変換回路と、
前記第１電力変換回路の出力部及び前記第２電力変換回路の入力部に設けられる平滑コンデンサと、
前記第１電力変換回路の入力部に設けられる第１コモンモード電流抽出回路と、
前記第２電力変換回路の出力部に設けられる第２コモンモード電流抽出回路と、
前記第１コモンモード電流抽出回路と、前記第２コモンモード電流抽出回路とを接続する仮想中性電位線と、
前記ＤＣリンク部と前記仮想中性電位線との間に接続されるＹ型コンデンサを有するＤＣリンクフィルタ回路と、
前記第１コモンモード電流抽出回路から、前記ＤＣリンクフィルタ回路における前記Ｙ型コンデンサの接続点に至るまでの経路に挿入される第１コモンモードコイルと、
前記Ｙ型コンデンサの接続点から、前記第２コモンモード電流抽出回路に至るまでの経路に挿入される第２コモンモードコイルとを備え、
前記第１及び第２コモンモードコイルは直列に接続されて、前記ＤＣリンクフィルタ回路内に配置されており、
前記Ｙ型コンデンサは、前記第１及び第２コモンモードコイルの共通接続点と前記仮想中性電位線との間に接続されている電力変換装置。
前記フィルタ回路は、前記Ｙ型コンデンサの共通接続点と前記仮想中性電位線との間に挿入されるコイルを備える請求項１記載の電力変換装置。
前記仮想中性電位線と接地電位との間に接続されるＬＣフィルタ回路を備える請求項１又は２記載の電力変換装置。
前記第１コモンモード電流抽出回路の入力部及び／又は前記第２コモンモード電流抽出回路の出力部に外部インピーダンス調整回路を備える請求項１から３の何れか一項に記載の電力変換装置。
前記第２電力変換回路に相当する２以上の並列電力変換回路と、
前記第１電力変換回路の出力部と前記並列電力変換回路の入力部との間を接続する並列ＤＣリンク部と、
前記並列ＤＣリンク部と前記仮想中性電位線との間に接続される並列ＤＣリンクフィルタ回路とを備える請求項１から４の何れか一項に記載の電力変換装置。
前記仮想中性電位線に挿入される電流制限回路を備える請求項１から５の何れか一項に記載の電力変換装置。
請求項１から６の何れか一項に記載の電力変換装置を複数備え、
前記複数の電力変換装置の仮想中性電位線が共通に接続されている電力変換システム。