多相・多重化ソフトスイッチング回路
【課題】昇圧形高力率コンバータや昇圧形コンバータなどのスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減する。
【解決手段】主スイッチＴｒの正端子に転流補助ダイオードＤｃのアノードを接続し、該ダイオードのカソード側は転流リアクトルＬｃの一端に接続し、転流リアクトルの他端は転流スイッチＴｃの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチの正端子には転流補助コンデンサＣｃを接続し、転流補助コンデンサの他端は第１転流ダイオードＤｃ１のアノードに接続し、第１転流ダイオードのカソードは直流母線の正側に繋ぐ。第２転流ダイオードＤｃ２のカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオードのアノードは転流スイッチの正端子に接続する。以上のようにソフトスイッチング回路を構成する。
【解決手段】主スイッチＴｒの正端子に転流補助ダイオードＤｃのアノードを接続し、該ダイオードのカソード側は転流リアクトルＬｃの一端に接続し、転流リアクトルの他端は転流スイッチＴｃの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチの正端子には転流補助コンデンサＣｃを接続し、転流補助コンデンサの他端は第１転流ダイオードＤｃ１のアノードに接続し、第１転流ダイオードのカソードは直流母線の正側に繋ぐ。第２転流ダイオードＤｃ２のカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオードのアノードは転流スイッチの正端子に接続する。以上のようにソフトスイッチング回路を構成する。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【発明の属する分野】
【０００１】
この発明は、直流を多彩に活用するための多相・多重化ならびにスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減するようにしたソフトスイッチング回路についての電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、三相電源からの電流を正弦波とし、直流出力電圧を得る三相高力率コンバータである。三相の各相には主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ）、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）からなる昇圧チョッパ回路が用いられ、それぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）は、三相電源からの電流を正弦波とするとともに負荷側に任意の直流出力を得るように制御される。各スイッチにより発生したパルス電流はフィルタによりキャリア成分が取り除かれ、電源電圧と同相な正弦波形が得られる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ハードスイッチングである従来の回路は、素子にかかる電圧・電流ストレスの増加、スイッチング損失によるコンバータ変換効率の低下、電磁ノイズの発生などの問題がある。特に、図１の昇圧形チョッパは、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオンしたとき主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）および主スイッチに直流出力電圧が逆電圧となって直接かかるため素子のストレスが大きくなる。
【０００４】
本発明は、直流を多彩に活用するための多相・多重化ならびにスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減するようにしたソフトスイッチング回路を提案してハードスイッチングが抱える諸問題を解決しようとするものである。
ソフトスイッチング動作は、一般に主スイッチに直列または並列に接続した補助回路により達成される。したがって、多相・多重化したソフトスイッチング回路は多くの補助回路を必要とする。本発明では、一つの補助スイッチで多相・多重化した回路のソフトスイッチング動作を達成している。
【発明を解決するための手段】
【０００５】
一例として、図１の三相高力率コンバータをソフトスイッチング化するために提案した図２のソフトスイッチング三相高力率コンバータの構成について説明する。
主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のそれぞれに並列ダイオード（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ，Ｄｔｗ）と並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）を並列接続する。図２の点線枠内がソフトスイッチングのための補助回路であり、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ）のアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルＬｃの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチＴｃの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）を接続し、その転流補助コンデンサの他端は一括して第１転流ダイオードＤｃ１のアノードに繋ぎ、第１転流ダイオードのカソードは直流母線の正側に接続する。第２転流ダイオードＤｃ２のカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオードのアノードは転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、図１の三相高力率コンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率・高力率で三相交流を直流に変換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について、図２から図５を用いて説明する。
図２は本発明に関する第１の実施の形態を示すソフトスイッチング三相高力率コンバータの回路図である。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオフしている場合は並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）には直流出力電圧Ｅｄが蓄積されている。この状態から転流スイッチＴｃをオンすると、並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）の充電電圧Ｅｄは転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ）を通して転流リアクトルＬｃにかかり、転流リアクトルＬｃと共振して放電し、エネルギーを転流リアクトルに移してゼロ電圧となる。転流スイッチＴｃのオン動作はゼロ電流スイッチングである。転流スイッチＴｃのオンにより、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）にかかる電圧は、Ｅｄの逆電圧が直接かかるのではなく、共振により正弦波形となるので素子のストレスが緩和される。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）が放電してゼロになると、転流リアクトルＬｃの電流は、Ｌｃ−Ｔｃ−（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ，Ｄｔｗ）−（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ）−Ｌｃを通って循環する。この間に主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）をオンすると、この動作は主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のゼロ電圧スイッチングである。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のオンの後、転流スイッチＴｃをオフすると転流リアクトルＬｃの電流は第２転流ダイオードＤｃ２を通して転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）を充電する。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオンしているので、転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）の充電電圧は転流スイッチＴｃにかかる。転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）の初期電圧は、前回のソフトスイッチング動作の最後にゼロ電圧まで放電しているので、転流スイッチＴｃのオフ動作はゼロ電圧スイッチングである。転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）が直流出力電圧Ｅｄまで充電されると、転流リアクトルＬｃの電流は第２転流ダイオードＤｃ２と第１転流ダイオードＤｃ１を通してゼロになるまで負荷側へ流れる。一方、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオンすると各相の整流電圧はそれぞれの主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ）にかかり、リアクトル電流を増加する。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のオフ動作は全ての並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）の電圧がゼロであるからゼロ電圧スイッチングとなる。しかも、それぞれの主スイッチが任意の時間間隔で個別にオフできるので、三相電源からの電流を正弦波とするとともに負荷側に任意の直流出力を得るようにそれぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）を制御できる。このように、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のオンの前に三相一括して図２の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路を動作させ、個別に任意の時間間隔で主スイッチのオフを制御すれば、補助回路の動作回数を少なくして三相高力率コンバータのソフトスイッチングが行える。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオフすると並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）は充電され、転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）はＥｄから放電する。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）がＥｄまで充電されると主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）が導通して並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）の電圧はゼロとなり、主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ）の電流を負荷側へ流す。転流スイッチＴｃのオンからこの主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）の導通までがソフトスイッチング動作の一サイクルである。
ソフトスイッチング動作により、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）のストレスは緩和されるが、転流スイッチＴｃのオンにより第１転流ダイオードＤｃ１、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃが直流出力電圧Ｅｄの逆電圧を受けることになる。これの悪影響を回避するには第１転流ダイオードＤｃ１に高速ダイオードを用いる。第１転流ダイオードＤｃ１は転流動作時にパルス電流が流れるだけであるから小容量の高速ダイオードが採用できる。つまり、高速小容量ダイオード一個の採用により主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）、主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
このように、一連のソフトスイッチング動作においてゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成されスイッチング損失を生じない。つまり、図２の回路は、ハードスイッチングの従来回路がもつ欠点である素子にかかるストレスが増加し、スイッチング損失が多くなってコンバータの変換効率が低下し、また、電磁ノイズが大きくなるという問題を解決したソフトスイッチング三相高力率コンバータである。
【０００７】
直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために電力変換器の多重化が行われる。図３はソフトスイッチング多重昇圧形コンバータである。このように、昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する。ここでは二重化した昇圧形コンバータの例を示している。図２のソフトスイッチング三相高力率コンバータの場合と同様に、主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）には、それぞれ並列ダイオード（Ｄｔａ，Ｄｔｂ）と並列コンデンサ（Ｃｔａ，Ｃｔｂ）を並列接続し、図３の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路に接続する。この場合、主スイッチのＴｒａとＴｒｂは交互にスイッチングするのが一般的である。いま、ＴｒａがオフＴｒｂがオンで並列コンデンサのＣｔａが直流出力電圧Ｅｄに充電され、Ｃｔｂの充電電圧はゼロ電圧とする。この状態で転流スイッチＴｃをオンすると、主スイッチがオフしている並列コンデンサの電圧が放電し、オンしている並列コンデンサの電圧は転流補助ダイオードＤｃｂが逆バイアスされるためゼロ電圧を保つ。以後の動作は図２で説明した一連のソフトスイッチング動作と同じであり、スイッチング損失を生じないゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成される。ここでも、第１転流ダイオードＤｃ１として高速小容量ダイオード一個を採用することにより主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）、主ダイオード（Ｄｒａ，Ｄｒｂ）、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
【０００８】
図４は伝導ノイズを低減した多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムである。このシステムは太陽電池、中点端子付リアクトルをもつ多重化した昇降圧チョッパ、ハーフブリッジインバータおよび系統電源からなる。単相三線式電源への供給はハーフブリッジインバータを一つ追加すればよい。このように、太陽電池の一方の端子とリアクトル中点端子、平滑コンデンサの中点端子および系統電源のアース端子を一直線に接続するとインバータやコンバータで発生する伝導ノイズを低減できる。また、中点端子リアクトルをもつ昇降圧チョッパは平滑コンデンサの中点端子と接続でき、バランスを保ちながら上下コンデンサを充電できるので、低ひずみのインバータ出力が得られる。昇降圧チョッパは入力電流のリプルが大きくなるので、多重化して太陽電池から一定の直流を得るようにする。多重化はコンバータの容量増大にもなる。
【０００９】
さらに、図４の伝導ノイズを低減した多重化コンバータ太陽光発電システムにおけるコンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率電力変換を行うために、図５のソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電システムを提案する。
追加するソフトスイッチングのための補助回路は、図３に示したソフトスイッチング多重昇圧形コンバータに用いた回路と全く同じである。主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）には、それぞれ並列ダイオード（Ｄｔａ，Ｄｔｂ）と並列コンデンサ（Ｃｔａ，Ｃｔｂ）を並列接続し、図５の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路に接続する。この場合も、主スイッチのＴｒａとＴｒｂは交互にスイッチングするのが一般的であり、ゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成されスイッチング損失を生じない。ここでも、第１転流ダイオードＤｃ１として高速小容量ダイオード一個を採用することにより主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）、主ダイオード（Ｄｒａ，ＤｒｂおよびＤ′ｒａ，Ｄ′ｒｂ）、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
【発明の効果】
【００１０】
従来の三相高力率コンバータをソフトスイッチング化することにより、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率・高力率で三相交流を直流に変換することができるソフトスイッチング三相高力率コンバータ。直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために多重化した昇圧形コンバータをソフトスイッチング化することにより、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で直流電力を処理することができるソフトスイッチング多重化昇圧形コンバータ。および、インバータやコンバータで発生する伝導ノイズを低減し、低ひずみのインバータ出力が得られ、コンバータの容量増大とともに太陽電池から一定の直流を得るようにした多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。ならびに、この多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムの特長にソフトスイッチング化による特長を追加したソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムの提供など、本発明は、直流を多彩に活用するための電力変換システムの特性改善ならびに性能向上に対してその効果を多いに期待できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】三相高力率コンバータ。
【図２】ソフトスイッチング三相高力率コンバータ。
【図３】ソフトスイッチング多重化昇圧形コンバータ。
【図４】伝導ノイズを低減した多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【図５】ソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【符号の説明】
１：三相交流電源
２：三相変圧器
３：フィルタ
４：全波整流回路
５：昇圧チョッパ
６：直流負荷回路
７：多相・多重化ソフトスイッチングのための転流補助回路
８：太陽電池
９：中点端子付リアクトルをもつ多重化した昇降圧チョッパ
１０：ハーフブリッジインバータ
１１：系統電源
Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ，Ｔｒａ，Ｔｒｂ：主スイッチ
Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ，Ｄｒａ，Ｄｒｂ，Ｄ′ｒａ，Ｄ′ｒｂ：主ダイオード
Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ，Ｌｒａ，Ｌｒｂ：主リアクトル
Ｄｔｕ，Ｄｔｖ，Ｄｔｗ，Ｄｔａ，Ｄｔｂ：並列ダイオード
Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ，Ｃｔａ，Ｃｔｂ：並列コンデンサ
Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ，Ｄｃａ，Ｄｃｂ：転流補助ダイオード
Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ，Ｃｃａ，Ｃｃｂ：転流補助コンデンサ
Ｔｃ：転流スイッチ
Ｌｃ：転流リアクトル
Ｄｃ１：第１転流ダイオード
Ｄｃ２：第２転流ダイオード
Ｅｓ：直流電源電圧
Ｅｄ：出力直流電圧
【発明の詳細な説明】
【発明の属する分野】
【０００１】
この発明は、直流を多彩に活用するための多相・多重化ならびにスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減するようにしたソフトスイッチング回路についての電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、三相電源からの電流を正弦波とし、直流出力電圧を得る三相高力率コンバータである。三相の各相には主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ）、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）からなる昇圧チョッパ回路が用いられ、それぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）は、三相電源からの電流を正弦波とするとともに負荷側に任意の直流出力を得るように制御される。各スイッチにより発生したパルス電流はフィルタによりキャリア成分が取り除かれ、電源電圧と同相な正弦波形が得られる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ハードスイッチングである従来の回路は、素子にかかる電圧・電流ストレスの増加、スイッチング損失によるコンバータ変換効率の低下、電磁ノイズの発生などの問題がある。特に、図１の昇圧形チョッパは、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオンしたとき主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）および主スイッチに直流出力電圧が逆電圧となって直接かかるため素子のストレスが大きくなる。
【０００４】
本発明は、直流を多彩に活用するための多相・多重化ならびにスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減するようにしたソフトスイッチング回路を提案してハードスイッチングが抱える諸問題を解決しようとするものである。
ソフトスイッチング動作は、一般に主スイッチに直列または並列に接続した補助回路により達成される。したがって、多相・多重化したソフトスイッチング回路は多くの補助回路を必要とする。本発明では、一つの補助スイッチで多相・多重化した回路のソフトスイッチング動作を達成している。
【発明を解決するための手段】
【０００５】
一例として、図１の三相高力率コンバータをソフトスイッチング化するために提案した図２のソフトスイッチング三相高力率コンバータの構成について説明する。
主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のそれぞれに並列ダイオード（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ，Ｄｔｗ）と並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）を並列接続する。図２の点線枠内がソフトスイッチングのための補助回路であり、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ）のアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルＬｃの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチＴｃの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）を接続し、その転流補助コンデンサの他端は一括して第１転流ダイオードＤｃ１のアノードに繋ぎ、第１転流ダイオードのカソードは直流母線の正側に接続する。第２転流ダイオードＤｃ２のカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオードのアノードは転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、図１の三相高力率コンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率・高力率で三相交流を直流に変換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について、図２から図５を用いて説明する。
図２は本発明に関する第１の実施の形態を示すソフトスイッチング三相高力率コンバータの回路図である。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオフしている場合は並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）には直流出力電圧Ｅｄが蓄積されている。この状態から転流スイッチＴｃをオンすると、並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）の充電電圧Ｅｄは転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ）を通して転流リアクトルＬｃにかかり、転流リアクトルＬｃと共振して放電し、エネルギーを転流リアクトルに移してゼロ電圧となる。転流スイッチＴｃのオン動作はゼロ電流スイッチングである。転流スイッチＴｃのオンにより、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）にかかる電圧は、Ｅｄの逆電圧が直接かかるのではなく、共振により正弦波形となるので素子のストレスが緩和される。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）が放電してゼロになると、転流リアクトルＬｃの電流は、Ｌｃ−Ｔｃ−（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ，Ｄｔｗ）−（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ）−Ｌｃを通って循環する。この間に主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）をオンすると、この動作は主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のゼロ電圧スイッチングである。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のオンの後、転流スイッチＴｃをオフすると転流リアクトルＬｃの電流は第２転流ダイオードＤｃ２を通して転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）を充電する。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオンしているので、転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）の充電電圧は転流スイッチＴｃにかかる。転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）の初期電圧は、前回のソフトスイッチング動作の最後にゼロ電圧まで放電しているので、転流スイッチＴｃのオフ動作はゼロ電圧スイッチングである。転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）が直流出力電圧Ｅｄまで充電されると、転流リアクトルＬｃの電流は第２転流ダイオードＤｃ２と第１転流ダイオードＤｃ１を通してゼロになるまで負荷側へ流れる。一方、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオンすると各相の整流電圧はそれぞれの主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ）にかかり、リアクトル電流を増加する。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のオフ動作は全ての並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）の電圧がゼロであるからゼロ電圧スイッチングとなる。しかも、それぞれの主スイッチが任意の時間間隔で個別にオフできるので、三相電源からの電流を正弦波とするとともに負荷側に任意の直流出力を得るようにそれぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）を制御できる。このように、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）のオンの前に三相一括して図２の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路を動作させ、個別に任意の時間間隔で主スイッチのオフを制御すれば、補助回路の動作回数を少なくして三相高力率コンバータのソフトスイッチングが行える。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）がオフすると並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）は充電され、転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ）はＥｄから放電する。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）がＥｄまで充電されると主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）が導通して並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ）の電圧はゼロとなり、主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ）の電流を負荷側へ流す。転流スイッチＴｃのオンからこの主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）の導通までがソフトスイッチング動作の一サイクルである。
ソフトスイッチング動作により、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）のストレスは緩和されるが、転流スイッチＴｃのオンにより第１転流ダイオードＤｃ１、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃが直流出力電圧Ｅｄの逆電圧を受けることになる。これの悪影響を回避するには第１転流ダイオードＤｃ１に高速ダイオードを用いる。第１転流ダイオードＤｃ１は転流動作時にパルス電流が流れるだけであるから小容量の高速ダイオードが採用できる。つまり、高速小容量ダイオード一個の採用により主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ）、主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ）、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
このように、一連のソフトスイッチング動作においてゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成されスイッチング損失を生じない。つまり、図２の回路は、ハードスイッチングの従来回路がもつ欠点である素子にかかるストレスが増加し、スイッチング損失が多くなってコンバータの変換効率が低下し、また、電磁ノイズが大きくなるという問題を解決したソフトスイッチング三相高力率コンバータである。
【０００７】
直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために電力変換器の多重化が行われる。図３はソフトスイッチング多重昇圧形コンバータである。このように、昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する。ここでは二重化した昇圧形コンバータの例を示している。図２のソフトスイッチング三相高力率コンバータの場合と同様に、主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）には、それぞれ並列ダイオード（Ｄｔａ，Ｄｔｂ）と並列コンデンサ（Ｃｔａ，Ｃｔｂ）を並列接続し、図３の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路に接続する。この場合、主スイッチのＴｒａとＴｒｂは交互にスイッチングするのが一般的である。いま、ＴｒａがオフＴｒｂがオンで並列コンデンサのＣｔａが直流出力電圧Ｅｄに充電され、Ｃｔｂの充電電圧はゼロ電圧とする。この状態で転流スイッチＴｃをオンすると、主スイッチがオフしている並列コンデンサの電圧が放電し、オンしている並列コンデンサの電圧は転流補助ダイオードＤｃｂが逆バイアスされるためゼロ電圧を保つ。以後の動作は図２で説明した一連のソフトスイッチング動作と同じであり、スイッチング損失を生じないゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成される。ここでも、第１転流ダイオードＤｃ１として高速小容量ダイオード一個を採用することにより主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）、主ダイオード（Ｄｒａ，Ｄｒｂ）、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
【０００８】
図４は伝導ノイズを低減した多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムである。このシステムは太陽電池、中点端子付リアクトルをもつ多重化した昇降圧チョッパ、ハーフブリッジインバータおよび系統電源からなる。単相三線式電源への供給はハーフブリッジインバータを一つ追加すればよい。このように、太陽電池の一方の端子とリアクトル中点端子、平滑コンデンサの中点端子および系統電源のアース端子を一直線に接続するとインバータやコンバータで発生する伝導ノイズを低減できる。また、中点端子リアクトルをもつ昇降圧チョッパは平滑コンデンサの中点端子と接続でき、バランスを保ちながら上下コンデンサを充電できるので、低ひずみのインバータ出力が得られる。昇降圧チョッパは入力電流のリプルが大きくなるので、多重化して太陽電池から一定の直流を得るようにする。多重化はコンバータの容量増大にもなる。
【０００９】
さらに、図４の伝導ノイズを低減した多重化コンバータ太陽光発電システムにおけるコンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率電力変換を行うために、図５のソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電システムを提案する。
追加するソフトスイッチングのための補助回路は、図３に示したソフトスイッチング多重昇圧形コンバータに用いた回路と全く同じである。主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）には、それぞれ並列ダイオード（Ｄｔａ，Ｄｔｂ）と並列コンデンサ（Ｃｔａ，Ｃｔｂ）を並列接続し、図５の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路に接続する。この場合も、主スイッチのＴｒａとＴｒｂは交互にスイッチングするのが一般的であり、ゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成されスイッチング損失を生じない。ここでも、第１転流ダイオードＤｃ１として高速小容量ダイオード一個を採用することにより主スイッチ（Ｔｒａ，Ｔｒｂ）、主ダイオード（Ｄｒａ，ＤｒｂおよびＤ′ｒａ，Ｄ′ｒｂ）、第２転流ダイオードＤｃ２および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
【発明の効果】
【００１０】
従来の三相高力率コンバータをソフトスイッチング化することにより、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率・高力率で三相交流を直流に変換することができるソフトスイッチング三相高力率コンバータ。直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために多重化した昇圧形コンバータをソフトスイッチング化することにより、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で直流電力を処理することができるソフトスイッチング多重化昇圧形コンバータ。および、インバータやコンバータで発生する伝導ノイズを低減し、低ひずみのインバータ出力が得られ、コンバータの容量増大とともに太陽電池から一定の直流を得るようにした多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。ならびに、この多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムの特長にソフトスイッチング化による特長を追加したソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムの提供など、本発明は、直流を多彩に活用するための電力変換システムの特性改善ならびに性能向上に対してその効果を多いに期待できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】三相高力率コンバータ。
【図２】ソフトスイッチング三相高力率コンバータ。
【図３】ソフトスイッチング多重化昇圧形コンバータ。
【図４】伝導ノイズを低減した多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【図５】ソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【符号の説明】
１：三相交流電源
２：三相変圧器
３：フィルタ
４：全波整流回路
５：昇圧チョッパ
６：直流負荷回路
７：多相・多重化ソフトスイッチングのための転流補助回路
８：太陽電池
９：中点端子付リアクトルをもつ多重化した昇降圧チョッパ
１０：ハーフブリッジインバータ
１１：系統電源
Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ，Ｔｒａ，Ｔｒｂ：主スイッチ
Ｄｒｕ，Ｄｒｖ，Ｄｒｗ，Ｄｒａ，Ｄｒｂ，Ｄ′ｒａ，Ｄ′ｒｂ：主ダイオード
Ｌｒｕ，Ｌｒｖ，Ｌｒｗ，Ｌｒａ，Ｌｒｂ：主リアクトル
Ｄｔｕ，Ｄｔｖ，Ｄｔｗ，Ｄｔａ，Ｄｔｂ：並列ダイオード
Ｃｔｕ，Ｃｔｖ，Ｃｔｗ，Ｃｔａ，Ｃｔｂ：並列コンデンサ
Ｄｃｕ，Ｄｃｖ，Ｄｃｗ，Ｄｃａ，Ｄｃｂ：転流補助ダイオード
Ｃｃｕ，Ｃｃｖ，Ｃｃｗ，Ｃｃａ，Ｃｃｂ：転流補助コンデンサ
Ｔｃ：転流スイッチ
Ｌｃ：転流リアクトル
Ｄｃ１：第１転流ダイオード
Ｄｃ２：第２転流ダイオード
Ｅｓ：直流電源電圧
Ｅｄ：出力直流電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相の各相に主リアクトル、主スイッチおよび主ダイオードからなる昇圧チョッパ回路を用いて、それぞれの主スイッチが、三相電源からの電流を正弦波とするとともに負荷側に任意の直流出力を得るように制御される三相高力率コンバータにおいて、主スイッチのそれぞれに並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続する。そして、ソフトスイッチングのための補助回路として、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオードのアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサを接続し、その転流補助コンデンサの他端は一括して第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第１転流ダイオードのカソードは直流母線の正側に接続する。第２転流ダイオードのカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオードのアノードは転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、従来の三相高力率コンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率・高力率で三相交流を直流に変換することができるソフトスイッチング三相高力率コンバータ。
【請求項２】
直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために、昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する多重化した昇圧形コンバータにおいて、主スイッチに、それぞれ並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続し、前記
請求項１
で示したソフトスイッチングのための補助回路を接続することによりスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で直流電力を処理することができるソフトスイッチング昇圧形コンバータ。
【請求項３】
太陽電池から一定の直流を得るとともにコンバータの容量増大のため、中点端子付リアクトルをもつ昇降圧チョッパを太陽電池に対して複数並列接続して構成する多重化した昇降圧形コンバータにおいて、リアクトルの一端のそれぞれを正側の主ダイオードのそれぞれのアノードに接続し、そのダイオードのカソードは一括して正の直流母線に接続する。それぞれのリアクトルの他端は負側の主ダイオードのそれぞれのカソードに接続し、それらのダイオードのアノードは一括して負の直流母線に接続する。正側の主ダイオードのそれぞれのアノードにはそれぞれの主スイッチの正端子を接続し、それぞれの主スイッチの負端子は一括して太陽電池の負端子に接続する。正負の直流母線端子には中点端子を持つ平滑コンデンサとハーフブリッジインバータが並列接続され、ハーフブリッジインバータの出力端子は系統の電源に繋がれる。そして、太陽電池の正端子とリアクトルの中点端子、平滑コンデンサの中点端子および系統電源のアース端子を接続する。単相三線式電源との連系はハーフブリッジインバータを一つ追加すればよい。このような構成により、インバータやコンバータで発生する伝導ノイズが低減し、低ひずみのインバータ出力が得られ、コンバータの容量増大とともに太陽電池から一定の直流を得るようにした多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【請求項４】
前記多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムにおいて、主スイッチに、それぞれ並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続し、前記
請求項１
で示したソフトスイッチングのための補助回路を接続することによりスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら太陽電池からの発生電力を系統に送ることができるソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【請求項１】
三相の各相に主リアクトル、主スイッチおよび主ダイオードからなる昇圧チョッパ回路を用いて、それぞれの主スイッチが、三相電源からの電流を正弦波とするとともに負荷側に任意の直流出力を得るように制御される三相高力率コンバータにおいて、主スイッチのそれぞれに並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続する。そして、ソフトスイッチングのための補助回路として、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオードのアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサを接続し、その転流補助コンデンサの他端は一括して第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第１転流ダイオードのカソードは直流母線の正側に接続する。第２転流ダイオードのカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオードのアノードは転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、従来の三相高力率コンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率・高力率で三相交流を直流に変換することができるソフトスイッチング三相高力率コンバータ。
【請求項２】
直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために、昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する多重化した昇圧形コンバータにおいて、主スイッチに、それぞれ並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続し、前記
請求項１
で示したソフトスイッチングのための補助回路を接続することによりスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で直流電力を処理することができるソフトスイッチング昇圧形コンバータ。
【請求項３】
太陽電池から一定の直流を得るとともにコンバータの容量増大のため、中点端子付リアクトルをもつ昇降圧チョッパを太陽電池に対して複数並列接続して構成する多重化した昇降圧形コンバータにおいて、リアクトルの一端のそれぞれを正側の主ダイオードのそれぞれのアノードに接続し、そのダイオードのカソードは一括して正の直流母線に接続する。それぞれのリアクトルの他端は負側の主ダイオードのそれぞれのカソードに接続し、それらのダイオードのアノードは一括して負の直流母線に接続する。正側の主ダイオードのそれぞれのアノードにはそれぞれの主スイッチの正端子を接続し、それぞれの主スイッチの負端子は一括して太陽電池の負端子に接続する。正負の直流母線端子には中点端子を持つ平滑コンデンサとハーフブリッジインバータが並列接続され、ハーフブリッジインバータの出力端子は系統の電源に繋がれる。そして、太陽電池の正端子とリアクトルの中点端子、平滑コンデンサの中点端子および系統電源のアース端子を接続する。単相三線式電源との連系はハーフブリッジインバータを一つ追加すればよい。このような構成により、インバータやコンバータで発生する伝導ノイズが低減し、低ひずみのインバータ出力が得られ、コンバータの容量増大とともに太陽電池から一定の直流を得るようにした多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【請求項４】
前記多重化コンバータ太陽光発電系統連系システムにおいて、主スイッチに、それぞれ並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続し、前記
請求項１
で示したソフトスイッチングのための補助回路を接続することによりスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら太陽電池からの発生電力を系統に送ることができるソフトスイッチング多重化コンバータ太陽光発電系統連系システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２８８７８（Ｐ２００７−２８８７８Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３００４１（Ｐ２００５−２３００４１）
【出願日】平成１７年７月１１日（２００５．７．１１）
【出願人】（３９２０２７９４４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１１日（２００５．７．１１）
【出願人】（３９２０２７９４４）
【Ｆターム（参考）】
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