(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024000473
(43)【公開日】2024-01-05
(54)【発明の名称】単相3線式交流の電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20231225BHJP
【FI】
H02M7/48 E
H02M7/48 R
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】書面
(21)【出願番号】P 2022109338
(22)【出願日】2022-06-20
(71)【出願人】
【識別番号】592091057
【氏名又は名称】大平電子株式会社
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 守男
【テーマコード(参考)】
5H770
【Fターム(参考)】
5H770AA01
5H770BA11
5H770CA06
5H770DA02
5H770DA10
5H770DA41
5H770EA01
5H770JA11W
5H770JA11Y
5H770JA13Y
5H770JA17Y
5H770JA18W
(57)【要約】
【課題】直流電源から単相3線式交流電源を作る従来の回路で生じる電力損失を減らし効力を改善する。
【解決手段】第1ないし第4のスイッチ素子と第1のリアクトルと第2のリアクトルが構成するインバータ回路において、第1と第2のスイッチ素子の接続点と第3と第4のスイッチ素子の接続点の間に双方向スイッチ回路を接続し、第1ないし第4のスイッチ素子と双方向スイッチ回路の制御端子に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を加え、第1のリアクトルと第2のリアクトルの励磁エネルギを双方向スイッチ回路を介して放出する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の直流電源と前記第1の直流電源に並列に接続された第1のコンデンサと第2のコンデンサからなる直列回路と前記第1の直流電源に並列に接続された第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子からなる直列回路と前記第1の直流電源に並列に接続された第3のスイッチ素子と第4のスイッチ素子からなる直列回路と前記第1のスイッチ素子と前記第2のスイッチ素子の接続点と前記第3のスイッチ素子と前記第4のスイッチ素子の接続点の間に接続された双方向スイッチ回路と前記双方向スイッチ回路の一方の端子と前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの接続点の間に接続された第3のコンデンサと前記双方向スイッチ回路の他方の端子と前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの接続点の間に接続された第4のコンデンサと前記第3のコンデンサの前記双方向スイッチ回路側の端子に直列に挿入された第1のリアクトルと前記第4のコンデンサの前記双方向スイッチ回路側の端子に直列に挿入された第2のリアクトルと前記第3のコンデンサに並列に接続された第1の負荷と前記第4のコンデンサに並列に接続された第2の負荷と前記第3のコンデンサの前記第1のリアクトル側の端子と前記第4のコンデンサの前記第2のリアクトル側の端子の間に接続された第3の負荷と前記第1ないし第4のスイッチ素子と前記双方向スイッチ回路の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を加える信号源からなり、これによって前記第1の直流電源の電力を交流電力に変換して前記第1ないし第3の負荷に供給することを特徴とする単相3線式交流の電力変換装置。
【請求項2】
前記双方向スイッチ回路が一つの方向の導通を制御する第1の制御電極と別のもう一つの方向の導通を制御する第2の制御電極を備え、前記信号源が交流電圧の正の半波に相当する期間だけパルスを出力する第1の信号と前記交流電圧の負の半波に相当する期間だけパルスを出力する第2の信号と前記交流電圧の正弦波の振幅に比例するデューティ比のパルスを出力する第3の信号と前記第3の信号の相補信号を出力する第4の信号を備え、前記第1のスイッチ素子と前記第4のスイッチ素子の制御電極に前記第1の信号と前記第3の信号のAND信号を加え、前記第2のスイッチ素子と前記第3のスイッチ素子の制御電極に前記第2の信号と前記第3の信号のAND信号を加え、前記双方向スイッチ回路の第1と第2の制御電極に前記第4の信号を加えた請求項1記載の単相3線式交流の電力変換装置。
【請求項3】
前記双方向スイッチ回路の第1の制御電極に前記第4の信号に替えて前記第1の信号を加え、前記双方向スイッチ回路の第2の制御電極に前記第4の信号に替えて前記第2の信号を加えた請求項2記載の単相3線式交流の電力変換装置。
【請求項4】
前記双方向スイッチ回路の第1の制御電極に前記第1の信号に前記第4の信号をORで加え、前記双方向スイッチ回路の第2の制御電極に前記第2の信号に前記第4の信号をORで加えた請求項2記載の単相3線式交流の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流電源と交流電源を互いに変換できる電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電気自動車(EV)のバッテリから交流電源を作る装置が停電時に利用されることが増えている。また、災害発生時に避難する建物全体に交流電力を供給するために建物の配電盤にEVから作った交流を接続することも行われている。
配電盤に交流を接続する場合は系統からの接続をいったん切り、単相3線式交流を供給する必要がある。
単相3線式交流のインバータは3つの出力端子を持っており、それらの名称をL1、N、L2とすると、L1-N間とN-L2間には100V、L1-L2間には200Vが発生する。また、Nは保護接地される。
単相3線式交流インバータは1つの交流電圧を発生する単相2線式交流インバータとは異なる回路を採用し、異なる制御方式を採用している。
【0003】
特許文献1には単相3線式交流を作るインバータ回路が開示されている。開示されている回路によれば、直流電圧を直列接続された2つのコンデンサにより分圧し、各々の電圧からインバータ回路を介して単相3線式交流を作っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1の
図2には放電動作1の電流の経路が示されている。図において、Q1とQ4がオン状態になるとコンデンサC1の電荷はQ1とL1を介して一方の負荷に流れ、コンデンサC2の電荷はQ4とL2を介して他方の負荷に流れる。
【0006】
次にQ1とQ4がオフして、Q2とQ3がオン状態になるとL1の励磁エネルギは一方の負荷を通りコンデンサC2に回生され、L2の励磁エネルギは他方の負荷を通りコンデンサC1に回生される。
【0007】
すなわち、コンデンサC1とC2から放電された電荷エネルギは負荷に供給されると同時にL1とL2の励磁エネルギとして蓄積されるが、その蓄積されたエネルギの一部がコンデンサC1とC2に戻ることになるのでコンデンサ(C1とC2)とリアクトル(L1とL2)の間にエネルギのキャッチボールが生じて電力を損失している。
【0008】
そこで本発明は、従来の単相3線式交流インバータに見られるエネルギのキャッチボールが生じない高効率のインバータを提供することを目的としている。
【0009】
従来の単相3線式交流インバータは出力が無負荷または軽負荷になったときに電圧が上昇し波形が正弦波から外れる。
【0010】
そこで本発明の別の目的は負荷が無負荷または軽負荷になっても電圧の上昇がなく、かつ、交流電圧波形が正弦波から外れることのない単相3線式交流インバータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記の目的を達成するために本発明は、第1の直流電源と、第1の直流電源に並列に接続された第1のコンデンサと第2のコンデンサからなる直列回路と、第1の直流電源に並列に接続された第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子からなる直列回路と、第1の直流電源に並列に接続された第3のスイッチ素子と第4のスイッチ素子からなる直列回路と、第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子の接続点と第3のスイッチ素子と第4のスイッチ素子の接続点の間に接続された双方向スイッチ回路と、その双方向スイッチ回路の一方の端子と第1のコンデンサと第2のコンデンサの接続点の間に接続された第3のコンデンサと、双方向スイッチ回路の他方の端子と第1のコンデンサと第2のコンデンサの接続点の間に接続された第4のコンデンサと、第3のコンデンサの双方向スイッチ回路側の端子に直列に挿入された第1のリアクトルと、第4のコンデンサの双方向スイッチ回路側の端子に直列に挿入された第2のリアクトルと、第3のコンデンサに並列に接続された第1の負荷と、第4のコンデンサに並列に接続された第2の負荷と、第3のコンデンサの第1のリアクトル側の端子と第4のコンデンサの第2のリアクトル側の端子の間に接続された第3の負荷を備え、第1ないし第4のスイッチ素子と双方向スイッチ回路の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を加え、これによって第1の直流電源の電力を交流電力に変換して第1ないし第3の負荷に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば単相3線式交流インバータとして従来より高い効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図4】本発明の回路の動作を説明するための波形図である。
【
図5】本発明の回路の動作を説明するための波形図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
図1は本発明の実施例を示す電力変換装置の回路である。直流電源1の電圧はコンデンサ2と3によって分圧される。MOSFET4と7には第1の信号である交流電圧の正の半波に相当する期間だけハイになるパルス(以降「交流正」と表記する)と第3の信号である交流電圧の振幅に比例するデューティ比のパルス(以降「DT」と表記する)のAND信号(以降「&」と表記する)が加わる。スイッチ素子5と6には第2の信号源である交流電圧の負の半波に相当する期間だけハイになるパルス(以降「交流負」と表記する)とDTの&が加わる。MOSFET8と9のゲートには第4の信号であるDTの相補信号
る信号であるため、MOSFET4ないし7とMOSFET8と9が同時にオン状態になることはない。
【0015】
交流波形と交流正及び交流負の信号の関係を
図4に示した。
【0016】
【0017】
交流正&DTがハイになって、MOSFET4と7のゲートに加わると、コンデンサ2の電荷がMOSFET4とリアクトル12とコンデンサ10を流れ、コンデンサ3の電荷がMOSFET7とリアクトル13とコンデンサ11を流れる。
【0018】
交流正のパルスがハイでもDTがローになるとMOSFET4と7がオフになる。一
T8と9を通りコンデンサ10と11を充電する。
【0019】
図1におけるリアクトル12と13を励磁する電流と、その励磁エネルギが放出すときの電流の経路を
図6に示した。
【0020】
図7は従来方式の回路構成の1つである特許文献1の
図2の等価回路である。
1とL2を励磁する電流は
図6の回路と同じであるが、Q1とQ4がオフして、Q2とQ3がオンになるとリアクトルL1とL2の励磁エネルギの一部は入力コンデンサC1とC2に戻るが、
図6の回路ではリアクトル(12と13)の励磁エネルギは出力コンデンサ(10と11)だけを充電する。すなわち、
図6と
図7では励磁エネルギの放出の電流経路が異なっている。
【0021】
図7に示した従来方式では励磁エネルギの一部がC1とC2に戻るため変換効率が悪くなる。また、C3とC4から取り出す交流電力に差があると、C1とC2の電圧に差が生じるので特許文献1の
図1に示されているようにQ5とQ6とL3で構成されている電圧バランス回路が必要になり、このバランス回路によっても電力の損失が生じる。
【0022】
の振幅に比例するデューティ比であるが、従来方式ではDTの値は交流電圧に単純に比例
【0023】
図2は本発明の別の実施例を示す電力変換装置である。
図1との違いは双方向スイッチ回路を構成するMOSFET8と9のゲートが別々になっており、各々に交流正と交流負の信号が加えられている点である。
【0024】
図2において、MOSFET4と7に交流正&DTが加えられ、MOSFET8と9が構成する双方向スイッチ回路のMOSFET9のゲートに交流正が加えられている。交流正のパルスがハイの間は双方向スイッチ回路の図の下から上に向かう方向だけ導通する。
【0025】
交流正のパルスがハイで、かつ、DTがハイのときはスイッチ素子4と7はオンになり、電流はリアクトル12と13を通り両リアクトルを励磁しながらコンデンサ10と11を充電する。交流正のパルスがハイの間でもDTがローになるとMOSFET4と7はオフになり、リアクトル12と13の励磁エネルギは励磁エネルギの放出の方向が導通状態になるMOSFET9とMOSFET8のボディダイオードを流れて放出される。
【0026】
交流負のパルスがハイで、かつ、DTがハイのときはMOSFET6と5がオンになり、電流はリアクトル13と12を通り両リアクトルを励磁しながらコンデンサ11と10を充電する。交流負のパルスがハイの間でもDTがローになるとMOSFET6と5はオフになり、リアクトル13と12の励磁エネルギは励磁エネルギの放出の方向が導通状態になるMOSFET8とMOSFET9のボディダイオードを流れて放出される。
【0027】
オンオフするか、または交流正と交流負の周期でオンオフするかという点にある。
【0028】
方がローの状態であるデッドタイムを設けるが、それが効率を下げる原因の1つになる。
【0029】
図2において、MOSFET8と9のいずれか一方はボディダイオードに電流が流れるのでダイオードの順方向ドロップ電圧(VF)によるロスが発生し、効率を下げる原因の1つになる。
【0030】
図3は上記
図1ないし
図2の各々のロスを改善する回路例であり、双方向スイッチ回路
R信号を加える。
【0031】
図1ないし
図3において、全部または一部のMOSFETをIGBTにダイオードを逆並列接続して置き換えても良い。
【0032】
本発明の単相3線式交流インバータにおいて、DTを交流電圧の振幅に比例させるだけでいいという点は、従来の単相2線式交流インバータと同じである。従って、3つの負荷に供給する交流電圧は安定しており、交流波形も負荷に関係なく正弦波を保っている。
【符号の説明】
【0033】
1 直流電源
2、3、10、11 コンデンサ
4~9 MOSFET
12、13 リアクトル
14、15、16 負荷
17 信号源