JP4866133B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源電圧を入力とし，この直流電源電圧とは異なる直流電圧に変換して負荷に供給する電力変換装置に関するものである。

直流電源電圧とは異なる直流電圧に変換して負荷に供給する電力変換器としては、図１５に示すような昇圧チョッパがある。

図１５に示すように、直流電源１の両端子間にインダクタ３１および可制御スイッチ３２が閉回路を構成するように直列接続される。また、可制御スイッチ３２と並列にダイオード３３およびコンデンサ３４が閉回路を構成するように直列接続される。さらに、コンデンサ３４の両端子間にフィルタ６が接続され、このフィルタ６の出力端子に負荷５が接続されている。

このような構成の昇圧チョッパにおいて、可制御スイッチ３２がオンすると、閉回路を構成する直流電源１（Ｅin）よりインダクタ３１の経路に電流が流れ、インダクタ３１にエネルギーが蓄積される。

この状態で、可制御スイッチ３２がオフするとインダクタ３１に蓄えられたエネルギーによってインダクタ３１と可制御スイッチ３２との接続点の電圧が上昇し、ダイオード３３を順バイアスするまで上昇してダイオード３３がオンする。インダクタ３１に流れていた電流はダイオード３３を通じでコンデンサ３４を充電する。コンデンサ３４に蓄えられたエネルギーはフィルタ６を通して負荷に供給されて消費される。

図１６は、可制御スイッチ３２のオン、オフによる各部の電圧を示すタイムチャートである。

図１６に示すように、可制御スイッチ３２にかかる電圧Ｅ_Ｔ１の平均が直流電源１の電圧Ｅinとなるようにコンデンサ３４の電圧Ｅoutが変化する。従って、電圧ＥoutはＥinよりも大きくなり、可制御スイッチ３２のオン、オフのデューティーによってＥoutを制御することができる。

また、電力変換器として、図１７に示すような降圧チョッパも良く知られている（例えば、特許文献１）。

図１７に示すように、直流電源１の両端子間に可制御スイッチ３５およびダイオード３６が閉回路を構成するように直列接続され、またダイオード３６の両端子間にフィルタ６が接続され、さらにフィルタ６の出力端子に負荷５が接続されている。

このような構成の降圧チョッパにおいて、可制御スイッチ３５がオンすると、フィルタ６の入力端子には直流電源１の電圧Ｅinが現れる。ここで、フィルタ６、負荷５の回路がインダクタンス成分を持つように構成されているものとすれば、可制御スイッチ３５がオフしたときに負荷電流はダイオード３６を通してフィルタ６の入力を短絡するように流れる。

図１８は、可制御スイッチ３５のオン、オフによる各部の電圧を示すタイムチャートである。

図１８に示すように、Ｅoutは可制御スイッチ３５のオン、オフに合わせて直流電源１の電圧Ｅinと０（ダイオード３６の導通による短絡）を繰り返す。そのため、フィルタ６を通して負荷５にはＥoutの平均電圧がかかり、負荷電圧は直流電源１の電圧Ｅinより小さくなる。

図１７に示す降圧チョッパ回路は、負荷５に正の電圧しか発生できないが、図１９のように、可制御スイッチ３５（Ｔ１）およびダイオード３６（Ｄ１）の直列回路にこれらの部品を逆にして接続した直列回路を並列接続すると、可制御スイッチ３５（Ｔ１）、可制御スイッチ３８（Ｔ２）をオフしたときの電流はダイオード３６（Ｄ1）、ダイオード３７（Ｄ２）を通して流れ、負荷５へは−Ｅinの電圧が出力される。

さらに、図２０に示すように大きな電圧が必要な負荷５においては、可制御スイッチ３２１，３２２、ダイオード３３１、３３２、コンデンサ３４１、３４２をそれぞれ直列接続して耐電圧を上げたり、耐電圧の高いスイッチ、ダイオード、コンデンサを適用したりして、出力電圧を上げる。

また、他の電力変換器としては、ＡＤ−ＤＣ変換器の出力を直列に接続して高電圧の直流出力を得るようにしたもの（例えば、特許文献２）や、直列に接続された半導体スイッチとその間に中点電圧を出力する３レベル回路を構成して高い直流電圧を得る電気車制御装置用のＤＣ-ＤＣ変換器もある（例えば、特許文献３）。
特開２００２−０１０６２９号公報 特開平０８―２２５１９２０号公報 特開２００１−１７７９２１号公報

このように従来の電力変換器は，直流電源と負荷との間に設けられ、出力電圧を上げる場合には、直流電源の電圧を上げると共に、この直流電源に可制御スイッチを直列接続し、扱う電圧容量を上げる技術が必要となるが、図２０に示すように複数の可制御スイッチのスイッチング特性を全く同じにすることは不可能であり、直列部品間で電圧の不均一が生じる。また、各部品には耐電圧があり、それぞれの部品においてかかる電圧が耐電圧を超えないように動作させる必要がある。

したがって、直列部品間でかかる電圧が不均一になると、その不均一の最大電圧が耐電圧を超えないようにする必要があり、部品を直列にしない回路構成の場合と比べて運用電圧を下げる必要が生じる。即ち、２つの部品を直列接続しても、部品の電圧分担の不均一分をマージンとして持つ必要があるが、出力電圧は２倍にはならず、それ以下になる。そのため、部品を増やした分よりも出力容量が小さくなってしまう問題があった。

また、直流電源と負荷の間に流れる電気エネルギーは、全て電力変換器を通過して流れるため、電力変換器の扱う電力が大きく、変換システムの損失が大きくなるという問題があった。

さらに、複数のＡＣ−ＤＣ変換器を直列接続して高い直流電圧を得るシステムもあるが、出力直流電圧を可変に制御できず、直流電源を持ったシステムには対応できないという問題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、出力電圧を上げても部品の増加に対して出力容量が小さくならず、また高い出力電圧に変換することができるとともに、変換システムの損失を少なくできる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、次のような手段により電力変換装置を構成する。

本発明は、複数の直流電圧源と、前記複数の直流電圧源から入力される直流電圧を異なる直流電圧にそれぞれ変換し、それぞれから出力される直流電圧の和の電圧が負荷に印加されるように直列接続された複数の３レベルチョッパとを備える構成とする。

本発明によれば、出力電圧を上げても部品の増加に対して出力容量が小さくならず、また変換システムの損失が少なく、さらに複数の直流電圧源を用いて、高い出力電圧に変換することができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明による電力変換装置の第１の実施形態を示す回路構成図である。

図１において、１，２は独立した直流電源を用いた直流電圧源で、これら直流電圧源１，２の出力端子をその直流電源電圧と異なる直流電圧にそれぞれ変換する電力変換器３，４の入力端子に各別に接続する。そして、電力変換器３の一方の出力端子を負荷５の一方の入力端に接続し、他方の出力端子を電力変換器４の一方の出力端子に接続し、この電力変換器４の他方の出力端子を負荷５の他方の入力端に接続する。すなわち、これら電力変換器３，４は、その出力電圧の和の電圧が負荷５に印加されるように直列接続される。

このような構成の電力変換装置において、直流電圧源１の電圧は電力変換器３により、異なる直流電圧に変換され、また直流電圧源２の電圧は、電力変換器４により異なる直流電圧に変換され、これら電力変換器３，４の出力電圧は和の電圧として負荷５に印加される。この場合、電力変換器３，４はそれぞれの部品の耐圧に応じた出力電圧を制御している。

したがって、電力変換器３，４を直列に接続しても各電力変換器の各構成部品の電圧が変動することがなく、部品の耐圧を満足するために運用電圧にマージンを設ける必要はない。そのため、直流電圧源１，２よりも高い出力電圧を負荷５に印加できるとともに、それぞれの電力変換器３，４の容量を有効に利用することが可能である。

図２は、図１の電力変換器３、４の具体例として、図１９に示す降圧チョッパにより構成した回路図ある。

図２に示すように電力変換器３、４は、可制御スイッチＴ１およびダイオードＤ１の第１の直列回路にこれらの部品を逆にして接続した第２の直列回路を並列接続してそれぞれ構成され、電力変換器３側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１とダイオードＤ１との接続部と電力変換器４側の第２の直列回路におけるダイオードＤ２と可制御スイッチＴ２との接続部とを接続し、電力変換器３側の第２の直列回路におけるダイオードＤ２と可制御スイッチＴ２との接続部と電力変換器４側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１とダイオードＤ１との接続部とを負荷５に接続したものである。

このような降圧チョッパにより電力変換器３、４を構成することにより、直流電圧源１と直流電圧源２の出力電圧の絶対値和より小さな出力電圧をチョッパ制御によって任意に負荷５に印加することができ、直流電源１，２よりも高い出力電圧を負荷５に印加することができる。

図３は、図１の電力変換器３、４の具体例として、図１９に示す降圧チョッパと図１７に示す正の電圧しか出力しないタイプの降圧チョッパとを組み合わせた構成の回路図ある。

図３に示すように一方の電力変換器３は、可制御スイッチＴ１およびダイオードＤ１の第１の直列回路にこれらの部品を逆にして接続した第２の直列回路を並列接続して構成され、他方の電力変換器４は、可制御スイッチＴ１およびダイオードＤ１の直列回路を接続して構成され、電力変換器３側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１とダイオードＤ１との接続部を電力変換器４側の直列回路におけるダイオードＤ１と直流電圧源２の負極との接続部に接続し、電力変換器３側の第２の直列回路におけるダイオードＤ２と可制御スイッチＴ２との接続部と電力変換器４側の直列回路における可制御スイッチＴ１とダイオードＤ１との接続部とを負荷５に接続するものである。

このような降圧チョッパにより電力変換器３、４を構成することにより、直流電圧源１，２よりも高い出力電圧を負荷５に印加することができと共に、チョッパ４の構成が簡単になり、コストを低減することができる。

図４は、図１の電力変換器３、４の具体例として、３レベルチョッパにより構成した回路図である。

図４に示すように電力変換器３、４は、コンデンサＣ１１，Ｃ１２の直列回路、可制御スイッチＴ１１，Ｔ１２とダイオードＤ１１，Ｄ１２とを接続した第１の直列回路、ダイオードＤ１３，Ｄ１４と可制御スイッチＴ１３，Ｔ１４とを接続した第２の直列回路、第１の直列回路における可制御スイッチＴ１１およびＴ１２の接続部とコンデンサＣ１１およびＣ１２の接続部並びにダイオードＤ１１およびＤ１２の接続部とコンデンサＣ１１およびＣ１２の接続部との間にダイオードＤ１５，Ｄ１６をそれぞれ接続し、第２の直列回路におけるダイオードＤ１３およびＤ１４の接続部とコンデンサＣ１１およびＣ１２の接続部並びに可制御スイッチＴ１３およびＴ１４の接続部とコンデンサＣ１１およびＣ１２の接続部との間にダイオードＤ１７，Ｄ１８をそれぞれ接続して構成され、電力変換器３側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１２とダイオードＤ１１との接続部と電力変換器４側の第２の直列回路におけるダイオードＤ１４と可制御スイッチＴ１３との接続部とを接続し、電力変換器３側の第２の直列回路におけるダイオードＤ１４と可制御スイッチＴ１３との接続部と電力変換器４側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１２とダイオードＤ１１との接続部とを負荷５に接続したものである。

このような３レベルチョッパにより電力変換器３、４を構成することにより、直流電圧源１，２よりも高い出力電圧を負荷５に出力できると共に、それぞれの３レベルチョッパに用いられるスイッチの耐圧が直流電圧源１，２の電圧よりも小さくても良好に直流電圧に変換することができる。

図５は、図１の電力変換器３、４の具体例として、図１９のチョッパと図４の３レベルチョッパを組み合わせた構成の回路図である。

図５に示すように一方の電力変換器３は、図１９に示すチョッパを用い、他方の電力変換器４は、図４に示す３レベルチョッパを用いて、電力変換器３側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１とダイオードＤ１との接続部と電力変換器４側の第２の直列回路におけるダイオードＤ１４と可制御スイッチＴ１３との接続部とを接続し、電力変換器３側の第２の直列回路におけるダイオードＤ２と可制御スイッチＴ２との接続部と電力変換器４側の第１の直列回路における可制御スイッチＴ１２とダイオードＤ１１との接続部とを負荷５に接続したものである。

このような電力変換器３、４を構成することにより、直流電圧源１，２の電圧がアンバランスであっても、その電圧に応じた変換器を適用することで、各電力変換器３，４の容量を有効に利用することが可能である。

上記した何れの具体例も、可制御スイッチを単純に直列接続していないため、可制御スイッチの耐圧に関して直列接続に起因する電圧マージンを取る必要がなく、それぞれの変換器容量を有効に利用することができる。

図２乃至図５では、２つの電力変換器をそれぞれチョッパにより構成し、これらを直列に組み合わせた例について示したが、図６に示すように３つ以上の独立した直流電圧源１，２に対応させてチョッパにより構成してなる電力変換器３，４をそれぞれ設け、これらを直列に組み合わせ接続して負荷電圧を上げるようにしてもよい。

このように直流電圧源を複数用いることで、負荷５にそれぞれの直流電圧源の電圧よりも高い電圧を出力することができる。

また、上記実施形態では、直流電圧源１，２として直流電源を用いる場合について述べたが、図７に示すように交流電源１０からの電力を変圧器２１ａ，２２ｂで絶縁し、交流から直流へ変換するＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂ，２２ｂを用いることで、複数の絶縁された直流電圧源２１，２２を構成する。

このような構成の直流電圧源２１，２２とすることにより、独立した直流電源がなくても、交流電源１０と変圧器２１ａ，２２ａ、ＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂ，２２ｂを用いて独立した複数の直流電圧源とすることが可能である。

図８は直流電圧源として直流電源とＤＣ―ＤＣ変換器とを組み合わせた場合の回路構成図である。

図８に示すように、一方の直流電圧源１として直流電圧をチョッパからなる電力変換器３に直接与える直流電源Ｅｉｎを設け、他方の直流電圧源２として一方の直流電圧源１の直流電源Ｅｉｎから電力を受けて直流電圧に変換し、これをチョッパによる電力変換器４に与える絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＣＮＶを設ける構成とし、電力変換器３，４の出力側を直列接続して負荷５に直流電圧を印加する。

このような構成の直流電圧源１，２とすれば、一つの直流電源Ｅｉｎしかない場合でも互いに絶縁された２つの直流電圧源から電力変換器３，４に直流電圧を供給することができるので、負荷５に高い直流電圧を印加することができる。

図９は図３に示す電力変換器３，４の直流電圧源１，２として図８に示す構成を適用した場合の回路図であり、ここでは図３および図８と同一部品には同一符号を付してその説明を省略する。

このような構成としても、一つの直流電源Ｅｉｎしかない場合でも互いに絶縁された２つの直流電圧源から電力変換器３，４に直流電圧を供給することができる。

なお，上記第１の実施形態では、チョッパからなる電力変換器３，４の出力を負荷に直接供給する場合について説明したが、図１０に示すように電力変換器３，４の出力側に、フィルタ６、７を設けるか、あるいは図１１に示すように負荷５の入力側にフィルタ６を設けることにより、各電力変換器３，４のスイッチング制御により発生する高調波を除去することができる。

図１２は、本発明による電力変換装置の第２の実施形態を示す回路構成図である。

図１２に示すように、チョッパを通さず負荷５に負極側が直接接続される直流電源Ｅｉｎを一方の直流電圧源１として設け、この直流電圧源１の直流電源Ｅｉｎから電力を受けて直流電圧に変換する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＣＮＶを他方の直流電圧源２として設け、この直流電圧源２から出力される直流電圧を正の電圧しか出力しないタイプの降圧チョッパからなる電力変換器４により制御された直流電圧を負荷５に印加する。

このような構成の電力変換装置とすれば、直流電圧源１と負荷５への供給電圧の変動範囲は狭くなるが、電力変換器の数が減るため、損失の低減、コストの低減を図ることができる。

上記第２の実施形態では、チョッパからなる電力変換器４より負荷５に直流電圧を印加したが、図１３に示すように電力変換器４の出力側にフィルタ６を設けることにより、チョッパのスイッチング制御により発生する高調波を除去した直流電圧を負荷５に印加することができる。

図１４は本発明による電力変換装置の第３の実施形態を示す回路構成図である。

図１４に示すように直流電圧源１，２が直列接続されている場合には、一方の直流電圧源１の負極側を負荷５に接続すると共に、他方の直流電圧源２の両端子に正の電圧しか出力しないタイプの降圧チョッパからなる電力変換器４の入力端子を接続し、この電力変換器４の可制御スイッチＴ１のスイッチング制御により出力される直流電圧を負荷５に印加する。

このような構成とすることにより、直流電圧源１から負荷５への電流経路は電力変換器４の一つのダイオードＤ１だけとなるので、変換ロスが少なく、簡単な構成で高い直流電圧を負荷５に印加することができる。

本発明による電力変換装置の第１の実施形態を示す回路構成図。 同実施形態における電力変換器の第１の具体例を示す回路構成図。 同実施形態における電力変換器の第２の具体例を示す回路構成図。 同実施形態における電力変換器の第３の具体例を示す回路構成図。 同実施形態における電力変換器の第４の具体例を示す回路構成図。 同実施形態において、３つ以上の独立した直流電圧源および電力変換器を設けた場合の回路構成図。 同実施形態において、直流電圧源としてＡＣ―ＤＣ変換器を用いた場合の回路構成図。 同実施形態において、直流電圧源として直流電源とＡＣ―ＤＣ変換器とを組み合わせた場合の回路構成図。 図３に示す電力変換器の直流電圧源として図８に示す構成を適用した場合の回路図。 同実施形態において、高調波を除去するための一例を示す回路構成図。 同じく高調波を除去するための他の例を示す回路構成図。 本発明による電力変換装置の第２の実施形態を示す回路構成図。 同実施形態において、高調波を除去するための一例を示す回路構成図。 本発明による電力変換装置の第３の実施形態を示す回路構成図。 従来の電力変換器の第１の例を示す回路構成図。 同第１の例の回路動作を示すタイムチャート。 従来の電力変換器の第２の例を示す回路構成図。 同第２の例の回路動作を示すタイムチャート。 従来の電力変換器の第３の例を示す回路構成図。 従来の電力変換器の第４の例を示す回路構成図。

符号の説明

１，２…直流電圧源、３，４…電力変換器、５…負荷、６，７…フィルタ、１０…交流電源、２１，２２…直流電圧源、２１ａ，２２ａ…変圧器、２１ｂ，２２ｂ…ＡＣ−ＤＣ変換器

Claims (5)

1. 複数の直流電圧源と、
   前記複数の直流電圧源から入力される直流電圧を異なる直流電圧にそれぞれ変換し、それぞれから出力される直流電圧の和の電圧が負荷に印加されるように直列接続された複数の３レベルチョッパと
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数の直流電圧源は、交流電源から入力される交流を直流に変換する変換器を含むことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記複数の直流電圧源は、
   直流電源と、
   前記直流電源と絶縁され、前記直流電源から入力される直流電圧を異なる直流電圧に変換する絶縁型直流―直流変換器とを含むこと
   を特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 第１の直流電圧源と、
   第２の直流電圧源と、
   前記第１の直流電圧源から入力される直流電圧を異なる直流電圧に変換し、出力する直流電圧と前記第２の直流電圧源から出力される直流電圧との和の電圧が負荷に印加されるように前記第２の直流電圧源と直列接続された３レベルチョッパと
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
5. 第１の直流電圧源と、
   前記第１の直流電圧源と直列接続された第２の直流電圧源と、
   前記第１の直流電圧源から入力される直流電圧を異なる直流電圧に変換し、出力する直流電圧と前記第２の直流電圧源から出力される直流電圧との和の直流電圧が負荷に印加されるように前記負荷と接続される３レベルチョッパと
   を備えることを特徴とする電力変換装置。

Images