特許 7487882 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-13

(45)【発行日】2024-05-21

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240514BHJP

   H02M 7/08 20060101ALI20240514BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 W

H02M7/08

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020135278

(22)【出願日】2020-08-07

(65)【公開番号】P2022030940

(43)【公開日】2022-02-18

【審査請求日】2023-07-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤田 英明

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 紘基

(72)【発明者】

【氏名】千葉 雄斗

【審査官】麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－０５８２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１４９６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９４７９０７７（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／２８

Ｈ０２Ｍ ７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相交流電源から直流電力を生成する電力変換装置であって、
前記三相交流電源の３つの線間電圧をそれぞれ全波整流する３つの全波整流回路と、
各全波整流回路に対応して設けられ、対応する全波整流回路の出力端に接続される３つのＤＣＤＣ変換回路と、
前記３つのＤＣＤＣ変換回路の出力電流を合流する出力回路と、
前記３つのＤＣＤＣ変換回路それぞれの出力電流のピーク値が電流指令値の三分の二となり、出力電流の平均値が電流指令値の三分の一となるように、前記３つのＤＣＤＣ変換回路を制御する制御部と
を備える電力変換装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記３つのＤＣＤＣ変換回路それぞれを、入力電流が入力電圧に比例するように制御する
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

各全波整流回路の出力側の端子対の間を接続するコンデンサを備え、
前記コンデンサの容量は、対応する前記ＤＣＤＣ変換回路から発生するスイッチングリップルを平滑化可能な容量である
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記コンデンサの容量は、対応する前記全波整流回路の全波整流波形に係る脈動を平滑化せず、前記スイッチングリップルを選択的に吸収可能な容量である
請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記３つの全波整流回路は、それぞれダイオードブリッジ整流回路である
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、三相交流電源から直流電力を生成する電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２２２９９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

三相交流電源から直流電力を取り出すためには、通常、整流回路とＤＣＤＣ変換回路とを備える電力変換装置（ＡＣＤＣコンバータ）が用いられる。電力変換装置には、力率が高いこと、およびノイズが小さいことが求められる。一般的な三相交流電源には、整流回路としてダイオードブリッジ整流回路またはＰＷＭ（Pulse Width Moduration）回路によって整流を実現することが多い。しかしながら、ダイオードブリッジ整流回路は、ノイズが少ない一方で、高調波を生じ、力率が悪いことが知られている。

【0005】

本開示の目的は、高い力率を実現することができる電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様によれば、電力変換装置は、三相交流電源から直流電力を生成する電力変換装置であって、前記三相交流電源の３つの線間電圧をそれぞれ全波整流する３つの全波整流回路と、各全波整流回路に対応して設けられ、対応する全波整流回路の出力端に接続される３つのＤＣＤＣ変換回路と、前記３つのＤＣＤＣ変換回路の出力電流を合流する出力回路と、前記３つのＤＣＤＣ変換回路それぞれの出力電流のピーク値が電流指令値の三分の二となり、出力電流の平均値が電流指令値の三分の一となるように、前記３つのＤＣＤＣ変換回路を制御する制御部とを備える。

【発明の効果】

【0007】

上記態様に係る電力変換装置は、高い力率を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。

【図2】第１の実施形態に係る全波整流回路の構成を示す回路図である。

【図3】第１の実施形態に係るＤＣＤＣ変換回路の構成を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

〈第１の実施形態〉
《電力変換装置の構成》
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す回路図である。第１の実施形態に係る電力変換装置１は、三相交流電源２が供給する交流電力に対して、交流直流変換および変圧を行う。電力変換装置１が出力する直流電力は、例えば作業機械のバッテリ３の充電に用いられる。

【0010】

電力変換装置１は、３つの全波整流回路１１、３つのＤＣＤＣ変換回路１２、出力回路１３、および制御部１４を備える。

【0011】

全波整流回路１１は、入力側端子対と出力側端子対を備えるダイオードブリッジ整流回路である。以下、便宜上、端子対の一方を正極端子、他方を負極端子ともよぶ。３つの全波整流回路１１は、それぞれ三相交流電源２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の線間電圧を整流する。
全波整流回路１１ａは、三相交流電源２のＵ相とＶ相の線間電圧を整流する。全波整流回路１１ａの入力側端子対は、それぞれ三相交流電源２のＵ相と、三相交流電源２のＶ相とに接続される。これにより、全波整流回路１１ａの出力側端子対からは、全波整流されたＵ相とＶ相の線間電圧が出力される。
全波整流回路１１ｂは、三相交流電源２のＶ相とＷ相の線間電圧を整流する。全波整流回路１１ｂの入力側端子対は、それぞれ三相交流電源２のＶ相と、三相交流電源２のＷ相とに接続される。これにより、全波整流回路１１ｂの出力側端子対からは、全波整流されたＶ相とＷ相の線間電圧が出力される。
全波整流回路１１ｃは、三相交流電源２のＷ相とＵ相の線間電圧を整流する。全波整流回路１１ｃの入力側端子対は、それぞれ三相交流電源２のＷ相と、三相交流電源２のＵ相とに接続される。これにより、全波整流回路１１ｃの出力側端子対からは、全波整流されたＷ相とＵ相の線間電圧が出力される。

【0012】

図２は、第１の実施形態に係る全波整流回路１１の構成を示す回路図である。
全波整流回路１１は、４つの整流ダイオード１１１ａ－１１１ｄとコンデンサ１１２を備える。
整流ダイオード１１１ａのアノードは、全波整流回路１１の入力側の正極端子と、整流ダイオード１１１ｂのカソードとに接続される。
整流ダイオード１１１ａのカソードは、全波整流回路１１の出力側の正極端子と、整流ダイオード１１１ｃのカソードとに接続される。
整流ダイオード１１１ｂのアノードは、全波整流回路１１の出力側の負極端子と、整流ダイオード１１１ｄのアノードとに接続される。
整流ダイオード１１１ｂのカソードは、全波整流回路１１の入力側の正極端子と、整流ダイオード１１１ａのアノードとに接続される。
整流ダイオード１１１ｃのアノードは、全波整流回路１１の入力側の負極端子と、整流ダイオード１１１ｄのカソードとに接続される。
整流ダイオード１１１ｃのカソードは、全波整流回路１１の出力側の正極端子と、整流ダイオード１１１ａのカソードとに接続される。
整流ダイオード１１１ｄのアノードは、全波整流回路１１の出力側の負極端子と、整流ダイオード１１１ｂのアノードとに接続される。
整流ダイオード１１１ｄのカソードは、全波整流回路１１の入力側の負極端子と、整流ダイオード１１１ｃのアノードとに接続される。

【0013】

また、全波整流回路１１は、それぞれ出力端子対の間をバイパスするコンデンサ１１２を備える。コンデンサ１１２の容量は、入力電力に応じて決定される。例えば、コンデンサ１１２の容量は、入力電力１ｋＶＡに対して１ｕＦ～１０ｕＦに設定される。コンデンサ１１２の容量を十分小さくしておくことで、全波整流回路１１の出力電圧が平滑されることなく、入力電圧の全波整流波形となる。例えば、コンデンサ１１２は、小型のフィルタキャパシタによって実現される。

【0014】

ＤＣＤＣ変換回路１２は、入力側端子対と出力側端子対を備えるＤＡＢ（Dual Active Bridge）回路である。３つのＤＣＤＣ変換回路１２は、制御部１４による制御により、それぞれ対応する全波整流回路１１の出力電圧を変圧する。
ＤＣＤＣ変換回路１２ａは、全波整流回路１１ａの出力電圧を変圧する。ＤＣＤＣ変換回路１２ａの入力側端子対は、全波整流回路１１ａの出力側端子対に接続される。
ＤＣＤＣ変換回路１２ｂは、全波整流回路１１ｂの出力電圧を変圧する。ＤＣＤＣ変換回路１２ｂの入力側端子対は、全波整流回路１１ｂの出力側端子対に接続される。
ＤＣＤＣ変換回路１２ｃは、全波整流回路１１ｃの出力電圧を変圧する。ＤＣＤＣ変換回路１２ｃの入力側端子対は、全波整流回路１１ｃの出力側端子対に接続される。

【0015】

図３は、第１の実施形態に係るＤＣＤＣ変換回路１２の構成を示す回路図である。
ＤＣＤＣ変換回路１２は、第一ブリッジ回路１２１と、変圧器１２２と、第二ブリッジ回路１２３とを備える。

【0016】

第一ブリッジ回路１２１は、４つの素子１２１１ａ－１２１１ｄにより構成されるブリッジ回路である。各素子１２１１は、ダイオードとスイッチとを並列に接続した素子である。スイッチがオフ（ＯＦＦ、開）のときは、素子１２１１は、ダイオードの向きにのみ電流を通す。一方、スイッチがオン（ＯＮ、閉）のときは、素子１２１１は、何れの向きにも電流を通す。以下、素子１２１１の端子のうちダイオードのアノード側の端子をアノードとよび、ダイオードのカソード側の端子をカソードとよぶ。

【0017】

素子１２１１ａのアノードは、変圧器１２２の入力側の正極端子と、素子１２１１ｂのカソードとに接続される。
素子１２１１ａのカソードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側の正極端子と、素子１２１１ｃのカソードとに接続される。
素子１２１１ｂのアノードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側の負極端子と、素子１２１１ｄのアノードとに接続される。
素子１２１１ｂのカソードは、変圧器１２２の入力側の正極端子と、素子１２１１ａのアノードとに接続される。
素子１２１１ｃのアノードは、変圧器１２２の入力側の負極端子と、素子１２１１ｄのカソードとに接続される。
素子１２１１ｃのカソードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側の正極端子と、素子１２１１ａのカソードとに接続される。
素子１２１１ｄのアノードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側の負極端子と、素子１２１１ｂのアノードとに接続される。
素子１２１１ｄのカソードは、変圧器１２２の入力側の負極端子と、素子１２１１ｃのアノードとに接続される。

【0018】

第二ブリッジ回路１２３は、４つの素子１２１３ａ－１２３１ｄにより構成されるブリッジ回路である。各素子１２３１は、第一ブリッジ回路１２１の素子１２１１と同様にダイオードとスイッチとを並列に接続した素子である。

【0019】

素子１２３１ａのアノードは、変圧器１２２の出力側の正極端子と、素子１２３１ｂのカソードとに接続される。
素子１２３１ａのカソードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側の正極端子と、素子１２３１ｃのカソードとに接続される。
素子１２３１ｂのアノードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側の負極端子と、素子１２３１ｄのアノードとに接続される。
素子１２３１ｂのカソードは、変圧器１２２の出力側の正極端子と、素子１２３１ａのアノードとに接続される。
素子１２３１ｃのアノードは、変圧器１２２の出力側の負極端子と、素子１２３１ｄのカソードとに接続される。
素子１２３１ｃのカソードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側の正極端子と、素子１２３１ａのカソードとに接続される。
素子１２３１ｄのアノードは、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側の負極端子と、素子１２３１ｂのアノードとに接続される。
素子１２３１ｄのカソードは、変圧器１２２の出力側の負極端子と、素子１２３１ｃのアノードとに接続される。

【0020】

出力回路１３は、３つのＤＣＤＣ変換回路１２の出力を合成して出力する。出力回路１３は、入力側端子対と出力側端子対を備える。出力回路１３は、入力側端子対と出力側端子対とを結ぶ線路をバイパスするコンデンサ１３１を備える。出力回路１３の入力側の正極端子には、各ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側の正極端子が接続され、出力回路１３の入力側の負極端子には、各ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側の負極端子が接続される。コンデンサ１３１の容量は、入力電圧に応じて決定される。例えば、コンデンサ１３１は、小型のフィルタキャパシタによって実現される。

【0021】

《電力変換装置の制御》
制御部１４は、マイクロコンピュータなどによって実現される。制御部１４は、３つのＤＣＤＣ変換回路１２それぞれが、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側におけるＤＣＤＣ変換回路１２が入力側からみて定抵抗として振る舞うように、各ＤＣＤＣ変換回路１２のスイッチング素子を切り替える。すなわち、制御部１４は、３つのＤＣＤＣ変換回路１２それぞれの入力電流の瞬時値が、入力電圧（コンデンサ１１２の電圧）の瞬時値に比例するように制御する。制御部１４は、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側におけるリアクタンスがゼロとなり、かつレジスタンスが固定値となるように、各ＤＣＤＣ変換回路１２のスイッチング素子を切り替えるともいえる。具体的には、制御部１４は、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流の電流値が、入力電圧の２乗に比例するようにＤＣＤＣ変換回路１２を制御する。これにより、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流は、相電流の２倍の周波数を有する正弦波様の脈流となる。制御部１４は、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流のピーク値が電流指令値の三分の二となり、平均電流値が電流指令値の三分の一となるようにＤＣＤＣ変換回路１２を制御する。すなわち、ＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流は、電流指令値の三分の一の振幅のＡＣリップルを有する。

【0022】

ＤＣＤＣ変換回路１２が入力側からみて定抵抗として振る舞うことで、全波整流回路１１の出力端における電圧と電流との位相を一致させることができる。すなわち、相電圧と相電流との位相を一致させることができる。これにより、制御部１４は、電力変換装置１の力率を１に近づけることができ、また高調波の発生を抑えることができる。

【0023】

３つのＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流は、それぞれＤＣＤＣ変換回路１２の入力電圧と同期して制御されることから、互いに１２０度ずつずれた位相を有する。そのため、３つのＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流が出力回路１３で合流することで、ＡＣリップル成分が打ち消され、出力回路の入力端において、スイッチングリップル成分のみが残留する。ＤＣＤＣ変換回路１２の出力側のスイッチングリップルは、コンデンサ１３１において吸収されるため、出力回路１３の出力電流は定電流となる。３つのＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流は、電流指令値の三分の一を中心に脈動する正弦波であることから、出力回路１３の出力電流の電流値は、電流指令値と一致する。

【0024】

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る電力変換装置１は、三相交流電源２の３つの線間電圧をそれぞれ全波整流する３つの全波整流回路１１と、各全波整流回路１１に対応して設けられ、対応する全波整流回路１１の出力端に接続される３つのＤＣＤＣ変換回路１２と、３つのＤＣＤＣ変換回路１２の出力電流を合流する出力回路１３とを備え、３つのＤＣＤＣ変換回路１２は、それぞれの出力電流のピーク値が出力回路１３の出力電流の電流値の三分の二となるように制御される。これにより、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力端が定抵抗のように振る舞うため、相電圧と相電流との位相を一致させ、高い力率を実現することができる。

【0025】

また、第１の実施形態に係る電力変換装置１が備える全波整流回路１１の出力側の端子対の間を接続するコンデンサ１１２は、対応するＤＣＤＣ変換回路１２から発生するスイッチングリップルを吸収可能な容量を有する。一方で、コンデンサ１１２の容量は、全波整流波形に係る脈動を平滑化しない程度に小さい容量を有する。これにより、全波整流回路１１は、全波整流波形に係る脈動を通過させつつ、ＤＣＤＣ変換回路１２の入力側のスイッチングリップル成分を選択的に吸収することができる。

【0026】

また、第１の実施形態に係る３つの全波整流回路１１は、それぞれダイオードブリッジ整流回路である。ダイオードブリッジ整流回路は、電源周波数でターンオンおよびターンオフするため、伝導性ＥＭＩに係るノイズをほとんど発生しない。したがって、電力変換装置１の全波整流回路１１がダイオードブリッジ整流回路であることで、電力変換装置１のノイズを低減することができる。

【0027】

以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。例えば、第１の実施形態に係る全波整流回路１１はダイオードブリッジ整流回路であるが、他の全波整流回路であってもよい。また、第１の実施形態に係るＤＣＤＣ変換回路１２はＤＡＢ回路で構成されるが、入力側のみをアクティブブリッジで構成し、出力側をダイオードブリッジなどのパッシブブリッジで構成するものなど、他のＤＣＤＣ変換回路であってもよい。
また、第１の実施形態に係る電力変換装置１は、出力回路１３にコンデンサ１３１を備えるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る電力変換装置１の出力先がバッテリ３である場合、電力変換装置１はコンデンサ１３１を備えなくてもよい。

【符号の説明】

【0028】

１…電力変換装置 １１…全波整流回路 １２…ＤＣＤＣ変換回路 １３…出力回路 １４…制御部 ２…三相交流電源 ３…バッテリ

【図1】

【図2】

【図3】