JP2012239324A

JP2012239324A - Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置

Info

Publication number: JP2012239324A
Application number: JP2011107134A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Tanaka; 康之田中; Tatsuya Okuda; 達也奥田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: JP5665649B2

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣ電力変換装置のリアクトルに電流が流れなくなり、充放電コンデンサの電圧制御ができなくなったとき、半導体素子の過電圧破壊を防止する。
【解決手段】直流電源１０に接続されたリアクトル１２と出力電圧の平滑用コンデンサ１８ａ、１８ｂ間に直流電圧変換部２３を設け、第１及び第２スイッチング素子１３、１４と、第１及び第２スイッチング素子１３、１４のオンオフにより充放電動作する充放電コンデンサ１５と、充放電コンデンサ１５の充電経路と放電経路を形成するダイオード１６、１７で構成する。ダイオード１６、１７と平滑用コンデンサ１８ａとの接続点と、充放電コンデンサ１５の高電位側端子の間に接続された分圧抵抗２４と、充放電コンデンサ１５と並列に接続された分圧抵抗２５と、充放電コンデンサ１５の低電位側端子と、第１スイッチ素子１３と平滑用コンデンサ１８ｂの接続点の間に接続された分圧抵抗２６を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣ電力変換装置に関するものである。

直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、例えば、太陽光発電システム、ハイブリッド自動車などに使用されている。このＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、例えば、特開昭６１−９２１６２号公報（特許文献１）、特開２００５−２２４０６０号公報（特許文献２）に開示されているように、図２に示す回路構成となっている。

図２において、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置１００は、例えば太陽電池などの直流電源１０からの入力電圧Ｖｉｎを平滑化する入力コンデンサ１１と、昇圧動作のためのリアクトル１２と、リアクトル１２に電圧を発生させる互いに直列接続された第１、及び第２のスイッチング素子１３、１４と、第１、及び第２のスイッチング素子１３、１４のオン・オフにより充放電動作する充放電コンデンサ１５と、出力からの逆流を防止する互いに直列接続されたダイオード１６、１７と、出力電圧を平滑化する平滑用コンデンサ１８とを備え、この平滑用コンデンサ１８の電圧が目標電圧Ｖｏｕｔになるように昇圧している。そして、目標電圧Ｖｏｕｔを負荷である、例えば系統１９に供給する。制御回路２０は、入力コンデンサ１１、充放電コンデンサ１５、平滑用コンデンサ１８の電圧、及び主回路２１に接続された電流検出器２２の検出電流を入力し、第１、及び第２のスイッチング素子１３、１４を制御する。なお、第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４、充放電コンデンサ１５、ダイオード１６、１７により、直流電圧変換部２３を構成している。

上記構成のＤＣ／ＤＣ電力変換装置１００は、制御回路２０による第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４のオン・オフ動作を利用して、リアクトル１２へのエネルギーの蓄勢と放勢の量をコントロールし、直流から直流への電力変換を行う。また、このリアクトル１２は大型で重いという課題があることから、コンデンサ１１の充放電を利用してリアクトル１２に印加される電圧を低減し、リアクトル１２に必要なインダクタンス値を低減することにより、リアクトル１２を小型、軽量化されている。

特開昭６１−９２１６２号公報特開２００５−２２４０６０号公報

ところで、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に対し、直流を交流に変換するインバータと組み合わせてシステムが構成される場合がある。例えば、太陽光発電用電力変換システム、エアーコンディショナ、ハイブリッド自動車の電気駆動システム等がある。これらシステムに用いられるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、電源の状態（例えば、太陽光発電システムにおける太陽電池の光の照射量）や負荷の状態（例えば、ハイブリッド自動車の電気駆動システムのモータの回転数）に応じて、その出力電圧をコントロールする。即ち、その電圧変換に係わる電圧比を制御している。この電圧比の調整は、一般的に、スイッチ素子の通流率、所謂、デューティファクタを制御することにより行われている。

図２に示すＤＣ／ＤＣ電力変換装置１００を、太陽光発電パワーコンディショナに用いた場合、直流電源１０、即ち、太陽電池が発電しているとき、リアクトル１２に流れるリアクトル電流Ｉ_Ｌと第１、及び第２のスイッチング素子１３、１４のデューティファクタＤ１、Ｄ２で充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃｆを制御している。充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃｆは、次式で求められる。

この式より理解されるように、リアクトル１２にリアクトル電流Ｉ_Ｌが流れないとき、充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃｆが制御不能になる。また、系統１９と接続されているため、充放電コンデンサ１５や平滑用コンデンサ１８、および第１、及び第２の半導体素子１３、１４に系統電圧が印加され、漏れ電流の関係で充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃｆは０〜Ｖｏｕｔまで不定となる。漏れ電流が大きい素子では、素子に印加される電圧は小さくなるが、漏れ電流が小さい素子では、素子に印加される電圧は大きくなる。

このように、従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置には、充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧が０〜Ｖｏｕｔ［Ｖ］で不定となり、第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４、ダイオード１６、１７、充放電コンデンサ１５の何れかに過電圧が印加されることになった場合、第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４、ダイオード１６、１７などの半導体素子の過電圧破壊が発生する可能性があった。

この発明は、前記の問題点に鑑みてなされたもので、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成するリアクトルに電流が流れなくなり、充放電コンデンサの電圧制御ができなくなったとき、半導体素子の過電圧破壊を防止するＤＣ／ＤＣ電力変換装置を提供するものである。

この発明に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、直流電源に接続されたリアクトルと出力電圧の平滑用コンデンサとの間に直流電圧変換部を設け、前記直流電圧変換部は、第１、及び第２のスイッチング素子と、前記第１、及び第２のスイッチング素子のオン・オフにより充放電動作する充放電コンデンサと、前記充放電コンデンサの充電経路と放電経路を形成するダイオードと、を有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置において、前記ダイオードと前記平滑用コンデンサとの接続点と、前記充放電コンデンサの高電位側端子の間に接続される第１の分圧抵抗と、前記充放電コンデンサと並列に接続される第２の分圧抵抗と、前記充放電コンデンサの低電位側端子と、前記第１のスイッチ素子と前記平滑用コンデンサの接続点の間に接続される第３の分圧抵抗と、を備えたものである。

この発明に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成するリアクトルに電流が流れなくなり、充放電コンデンサの電圧制御ができなくなったとき、半導体素子の過電圧破壊を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する回路図である。従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する回路図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態により発明が限定されるものではなく、諸種の設計的変更を含むものである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する回路図である。図１において、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置２００は、ダイオード１７のカソード側と平滑用コンデンサ１８ａとの接続点ａと、充放電コンデンサ１５の高電位側端子ｂの間に第１の分圧抵抗２４を接続し、充放電コンデンサ１５と並列に第２の分圧抵抗２５を接続し、充放電コンデンサ１５の低電位側端子ｃと、第１のスイッチ素子１３と平滑用コンデンサ１８ｂの接続点ｄの間に第３の分圧抵抗２６を接続したものである。なお、その他の構成については図２に示す従来装置と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。また、図２で示した第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４を制御する制御回路と、負荷の図示を省略している。

前述のように、従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置においては、充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧が不定となり、第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４、ダイオード１６、１７、充放電コンデンサ１５の何れかに過電圧が印加されることになった場合、第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４、ダイオード１６、１７などの半導体素子の過電圧破壊が発生する可能性がある。

しかし、実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置２００では、分圧抵抗２４〜２６を挿入することにより、充放電コンデンサ１５に印加される電圧Ｖ２は、分圧抵抗２４〜２６の分圧比のみで決まる次の式２となる。
Ｖ２＝｛Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）｝Ｖｏｕｔ・・・・・式２

このように、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置２００は、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して均等化し、充放電コンデンサ１５のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃｆを一定に保つことができるため、第１、及び第２のスイッチ素子１３、１４、ダイオード１６、１７などの半導体素子の過電圧破壊を防止することができ、低耐圧、低損失の半導体素子やコンデンサを使用することができる。また、各半導体素子に印加される電圧を推定することができ、耐圧や損失を加味した主回路設計を行うことができる。

また、近年、太陽光発電システムの高機能化が求められている中、実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置２００をこの太陽光発電システムに用いた場合、付加価値として、入力電流が流れないときの系統電圧安定化機能を実現できる。

１０直流電源（太陽電池）
１１入力コンデンサ
１２リアクトル
１３第１のスイッチング素子
１４第２のスイッチング素子
１５充放電コンデンサ
１６、１７ダイオード
１８平滑用コンデンサ
１９負荷（系統）
２０制御回路
２１主回路
２２電流検出器
２３直流電圧変換部
２４、２５、２６分圧抵抗
１００、２００ＤＣ／ＤＣ電力変換装置

Claims

直流電源に接続されたリアクトルと出力電圧の平滑用コンデンサとの間に直流電圧変換部を設け、前記直流電圧変換部は、第１、及び第２のスイッチング素子と、前記第１、及び第２のスイッチング素子のオン・オフにより充放電動作する充放電コンデンサと、前記充放電コンデンサの充電経路と放電経路を形成するダイオードと、を有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置において、
前記ダイオードと前記平滑用コンデンサとの接続点と、前記充放電コンデンサの高電位側端子の間に接続される第１の分圧抵抗と、
前記充放電コンデンサと並列に接続される第２の分圧抵抗と、
前記充放電コンデンサの低電位側端子と、前記第１のスイッチ素子と前記平滑用コンデンサの接続点の間に接続される第３の分圧抵抗と、を備えたことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。