JP7008811B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本願は、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置に関するもので、特に出力を平滑化するコンデンサを有する電力変換装置に関するものである。

交流電源から供給される電力の力率を改善しつつ直流に変換して負荷に直流の電力を供給する電力変換装置において、交流電源の停電、瞬断、瞬停が発生した場合には、電力変換装置への入力電力が全く無い状態、あるいは入力電力が小さい状態で動作を継続する。このため、電力変換装置内の出力端に設けられているコンデンサの電荷が、引き抜かれ続け、コンデンサ電圧が低下する。その後、交流電源の復電が起こると、復電時の交流電源電圧よりもコンデンサ電圧が小さい場合には突入電流が発生し、電力変換装置内の半導体スイッチング素子を破壊するという問題を発生する。

この突入電流が発生する要因は、コンデンサ電圧が交流電源電圧より低くなることにあり、突入電流の大きさは短時間停電、瞬断、瞬停からの復電時の入力電圧の大きさと復電時のコンデンサ電圧の差に依存している。そのため、特許文献１では、コンデンサ電圧が所定の基準値以下になったら、負荷の動作を停止させることでコンデンサの電圧低下を抑制し、復電時の突入電流を抑制している。

一般的に、電力変換装置は、動作時にはコンデンサ電圧と交流電源電圧の電位差が小さい場合が多い。その理由としては、コンデンサは耐圧が高い程、高価で大型であるため、小型・低コスト化のためには耐圧が低いコンデンサを選定する必要があり、コンデンサ電圧のリップルがコンデンサの耐圧を超過しないように設計しようとすると、動作時のコンデンサ電圧は交流電源電圧に近い電圧にならざるを得ないからである。

特許文献１のように、復電時の突入電流を抑制するためには、瞬時停電から復電する直前のコンデンサの両端電圧と、瞬時停電からの復電時にコンバータに入力される交流電圧との差を小さく抑えることが適切であり、これを実現するために、コンデンサの両端の電圧を検出して、この検出した電圧が、コンバータを構成する半導体素子の突入電流耐性に基づく基準電圧以下になったと判定した場合には、電力変換装置に接続されている負荷の動作を停止させるように制御することで十分であった。

特許第５４６０８３８号公報

しかし、コンデンサ電圧が低下する速度は、コンデンサから電荷を引き抜く出力の大きさとコンデンサ容量に依存する。また、電力変換装置の小型化および低コスト化を目指すには余剰なコンデンサ容量の削減が行われる傾向にあり、電力変換装置の高出力化により、停電、瞬断、瞬停時のコンデンサ電圧低下の速度が速い傾向にある。そのため、特許文献１に示された技術のように、コンデンサ電圧が基準電圧値以下になったのを検知してから、負荷を停止させるのでは、定常動作時のコンデンサ電圧と交流電源電圧の電位差が小さい場合には、基準値を交流電源電圧の最大値に近い値もしくは交流電源電圧の最大値以下でしか設定できず、コンデンサ電圧の低下を検知してから負荷を停止させるまでの信号の伝達および情報処理による時間遅れの間に、コンデンサ電圧が復電時の入力電圧の最大値を下回り、大きな突入電流が発生することを防ぐことができないという問題が生じる。
大きな突入電流の発生を防ぐことができなければ、その突入電流の大きさを考慮した耐電流性の高い半導体素子を使用することが必要になり、一般的に電流耐量が少ないＳｉＣ、ＧａＮまたはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体材料の素子を電力変換装置に用いることが難しくなるため、小型、低コストの電力変換装置を実現することに対して妨げになるという課題が生じる。

本願は、前述の課題を解決するための技術を開示するものであり、ワイドバンドギャップ半導体材料の素子を用いても問題の無い自由度の高い電力変換装置を提供することを目的とするものである。

本願に開示される電力変換装置は、交流電源と負荷との間に設けられる電力変換装置であって、前記交流電源から供給される電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電力を直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続されたコンデンサとを有する電力変換部、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧を検出する電圧検出部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流を検出する電流検出部とを有する電力検出部、および基準電圧値または基準電流値を有し、前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータが動作中、前記電圧検出部と前記電流検出部のうちのいずれか一方または両方の検出値の絶対値が所定時間、前記基準電圧値以下または前記基準電流値以下となる場合に前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる制御部を備え、前記基準電圧値が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧の実効値を用いた演算によって決まる値であって、前記演算によって決まる値が所定電圧値以上の場合には、前記基準電圧値を前記所定電圧値に設定することを特徴とするものである。

本願に開示される電力変換装置によれば、入力電力の変化を検出してコンデンサの電圧低下を予測して、コンデンサの電圧が入力電圧よりも小さくなる前に電力変換装置の動作を停止させることによって、突入電流を防止でき、耐電流性の低い半導体材料の素子を使用することができ、自由度の高い電力変換装置を得ることができる。また、半導体素子に耐電流性を持たせる必要がないため、同じ半導体材料で比較した場合、小型、低コストで電力変換装置構成が可能となる。

実施の形態１による電力変換装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１による電力変換装置のコンデンサの電圧と交流電源の電圧の波形図である。 比較例の電力変換装置のコンデンサの電圧と交流電源の電圧の波形図である。 実施の形態１による電力変換装置における基準電圧値の設定を説明する説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における制御の手順を示すフロー図である。 制御部のハードウエアの構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置１００の概略構成を示す構成図である。図に示すように、電力変換装置１００は、電力系統の商用電源等の交流電源１０１と負荷１０５の間に接続されている。そして、電力変換装置１００は、半導体素子等で構成されているＡＣ／ＤＣコンバータ１０２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力端に接続されるコンデンサ１０３と、半導体素子等で構成され、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電力を任意の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１０４とを備えている。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の出力端に負荷１０５が接続されている。さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の入力電圧を検出する電圧検出部１０８と、入力電流を検出する電流検出部１０７と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２を制御するＡＣ／ＤＣコンバータ制御部１０６ａおよびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１０６ｂを含む制御部１０６と、コンデンサ１０３の電圧を検出するコンデンサ電圧検出部１０９と、電流制限抵抗１１０と、スイッチング手段１１１とを備えている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２は昇圧型のコンバータであり、接続されている商用電源等の交流電源１０１から供給される電力の力率を改善しつつ任意の直流に変換する機能を有し、このＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力端に接続されているコンデンサ１０３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電圧を平滑する機能を持つ。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電力を絶縁しつつ、任意の直流電圧に変換し、負荷１０５に供給する機能を有する。
なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が動作しているときにはスイッチング手段１１１はＯＮとなっている。

本願の対策を実施した場合の、瞬断、瞬停時のコンデンサ１０３の電圧と交流電源１０１の電圧の波形の一例を図２に示す。
図２において、波形Ａ１はコンデンサ１０３の電圧値の変化を表しており、波形Ｂ１は、交流電源１０１の出力電圧の変化を表している。すなわち、交流電源１０１の出力電圧に着目すると、時刻ｔ１において瞬断、瞬停が発生し、その後、時刻ｔ２において復電している。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ１は瞬断、瞬停期間であり、図２に示した場合では、交流電源１０１の半周期の間、瞬断、瞬停している。交流電源１０１は、本願では、交流電源１０１の停電、瞬断、瞬停が発生した場合に、コンデンサ１０３の電圧が、交流電源１０１の復電時の電圧の最大値Ｖｐ以下に低下する前に、電圧検出部１０８または電流検出部１０７の検出値を使用して停電または瞬断、瞬停を検知し、電力変換装置の動作を時刻ｔ３で停止させることで、コンデンサ１０３の電圧低下を防ぎ、突入電流の発生および、電力変換装置１００を構成する部品の破壊を防止している。

この実施の形態１に対して、瞬断、瞬停時にＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を継続し続ける場合の、瞬断、瞬停時のコンデンサ１０３の電圧と交流電源１０１の電圧の波形の一例を比較例として図３に示す。

図３において、波形Ａ２はコンデンサ１０３の電圧値の変化を表しており、波形Ｂ２は、交流電源１０１の出力電圧の変化を表している。すなわち、交流電源１０１の出力電圧は、図２に示したと同様に、時刻ｔ１に瞬断、瞬停が発生し、その後、時刻ｔ２に復電していることがわかる。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ１は瞬断、瞬停期間であり、図３では交流電源１０１の半周期の間、瞬断、瞬停している。なお、期間Ｔ２はコンデンサ１０３による放電時間、すなわちコンデンサ放電時間を表しており、このコンデンサ放電時間Ｔ２を超えて放電が行われることによって、図３に示すようにコンデンサ１０３の電圧が低下することになる。

図３のコンデンサ１０３の電圧に着目すると、瞬断、瞬停が時刻ｔ１で発生してもＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が動作を継続するため、時刻ｔ１以後において、入力電圧がなく、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２からコンデンサ１０３に充電されない状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４はコンデンサ１０３の電荷を負荷１０５に出力する。そのため、コンデンサ１０３の電圧は主に出力電力の大きさおよびコンデンサの容量に依存して低下し、低下したコンデンサ１０３の電圧が、時刻ｔ２の復電の際の交流電源１０１の最大電圧Ｖｐを下回っているため、時刻ｔ２の復電時に、ΔＶの大きさに依存した突入電流が交流電源１０１からコンデンサ１０３に流れ込む。よって、交流電源１０１からコンデンサ１０３の間の電流経路にあるＡＣ／ＤＣコンバータ１０２を構成している電流耐性の比較的弱い半導体素子が破壊されることになる。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４のスイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。なお、スイッチング素子は、Ｓｉ（シリコン）を用いた半導体で構成してもよいし、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、Ｇａ２Ｏ３（酸化ガリウム）、ダイヤモンドあるいは同類のワイドバンドギャップ半導体材料の素子で構成することができる。

コンデンサ１０３の電圧が、交流電源１０１の復電時の電圧の最大値以下に低下する前に、停電または瞬断、瞬停したことを、電圧検出部１０８または電流検出部１０７で検出するために、本願の実施の形態では電圧検出部１０８の検出値の絶対値が基準電圧値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続し、かつ、電流検出部１０７の検出値の絶対値が基準電流値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続した時に、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させることとする。

なお、電圧検出部１０８および電流検出部１０７の検出値は負の値も取り得るため、基準電圧値以下および、基準電流値以下の判定には検出値の絶対値を用いる。
コンデンサ１０３の電圧と交流電源１０１の電圧の電位差が小さい場合には、基準値を交流電源電圧の最大値に近い値もしくは交流電源電圧の最大値以下でしか設定できず、突入電流の発生を抑制できない可能性が高いが、本願では入力電圧および入力電流を検知しているため、極端に言えば、コンデンサ１０３の電圧がほぼ低下していない段階で、動作を停止し、コンデンサ１０３の電圧低下を防ぎ、突入電流の発生を抑制することが可能となる。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２への突入電流を防ぎ、交流電源１０１の定常出力電圧時に誤って電力変換装置１００の動作を停止させない、基準電圧値と基準電流値およびコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の設定の方法を説明する。

本願では電圧検出部１０８および電流検出部１０７の検出値は交流電源１０１が出力する正弦波の瞬時の電圧値および電流値を検出するため、交流電源１０１の定常出力電圧時でも検出値は、正弦波のゼロクロス付近において基準電圧値または基準電流値を下回る。そのため、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１を短く設定し、基準電圧値を小さく設定し過ぎると、交流電源１０１の定常出力電圧時にＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を停止させてしまうことになる。そのため、本願では交流電圧、交流電流を検知するため、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１、基準電圧値、基準電流値の設定値に注意が必要である。

交流電源１０１の定常出力電圧時とはＡＣ／ＤＣコンバータ１０２に入力される交流電源１０１の電圧に停電、瞬断、瞬停が発生していない状態でしかも製品として規定される範囲の電圧を交流電源１０１が出力している状態とする。

まず、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１の設定の方法について説明する。
図２の波形に示すように、突入電流を防ぐためには、コンデンサ１０３の電圧が、交流電源１０１の復電時の最大電圧値Ｖｐ以下に低下する前に、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させる必要がある。

コンデンサ放電時間Ｔ２は、コンデンサ１０３の容量をＣ、出力電力をＰ、初期のコンデンサ電圧をＶ０、放電後のコンデンサ電圧（復電時の電源電圧の最大値）をＶ１としたとき、式（１）で導出できるため、コンデンサ放電時間Ｔ２は、式（１）を用いて導出し、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１は、コンデンサ放電時間Ｔ２より短い値とする。
Ｔ＝（１／２）Ｃ・（Ｖ０^２－Ｖ１^２）÷Ｐ （１）

本実施の形態では一例としてコンデンサ放電時間Ｔ２を１ｍｓ（ミリ秒）とする。なお、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１の導出にはシミュレーションおよび実物の試験装置等を用いても良い。これにより、実際には起こるコンデンサの電圧リプルの位相および放電抵抗等の出力電力以外の放電要素も考慮できるため、より正確にコンデンサの放電時間Ｔを導出することができる。そのため、余分に早く電力変換装置を停止させることがないため、できる限り電力変換装置を動作でき、短い時間でより多くの電力を変換できる。

交流電源１０１の復電時の電源電圧の最大値Ｖ１は、停電時には想定できないため、コンデンサ放電時間Ｔ２が最短となる場合を想定して、ＡＣ／ＤＣコンバータに入力される交流電圧の製品として規定する最大値２８０Ｖｒｍｓのピーク値とする。なお、２８０Ｖｒｍｓはあくまで一例である。また、出力電力Ｐは電力変換装置１００の最大の出力、コンデンサ容量Ｃは初期容量偏差および温度ばらつき、経年劣化を考慮した最低の容量とし、初期のコンデンサ電圧Ｖ０は、電力変換装置動作時の最低のコンデンサ電圧でコンデンサ放電時間Ｔ２を見積もる。これにより、電力変換装置１００の動作状態において、規定された範囲の交流電圧が、停電、瞬断、瞬停後に復帰しても突入電流を防止することができる。

また、シミュレーションでコンデンサの放電時間を導出する際にも、前述と同様に、より突入電流が発生し易い、厳しい条件でシミュレーションを行うこととする。これにより、様々な電力変換装置の動作状態において、規定された範囲の交流電圧が、停電、瞬断、瞬停後に復帰しても突入電流を防止することができる。

コンデンサ放電許容時間Ｔ２１は、コンデンサ放電時間Ｔ２より小さければ、どのような値でも良い。コンデンサ放電許容時間Ｔ２１をコンデンサ放電時間Ｔ２より小さい値とするのは、停電または瞬断、瞬停したことを制御部が検知してからＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させるまでの時間遅れを考慮するためであり、ここでは、一例としてコンデンサ放電許容時間Ｔ２１は、コンデンサ放電時間Ｔ２を１ｍｓの半分である５００ｕｓ（マイクロ秒）とする。

電力変換装置１００において、一般的に出力電力Ｐが大きいほどコンデンサ容量Ｃも大きくなるため、Ｃ÷Ｐはほぼ一定である。また、Ｖ０は電力系統の商用電源の最大値、Ｖ１は動作時の一般的なコンデンサ電圧の最小値とすると式（１）より、コンデンサ放電時間Ｔ２は、概ね１ｍｓとなる。そのため、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１を１ｍｓの半分の５００ｕｓ以下とすれば、商用電源に接続される電力変換装置１００において突入電流を防止可能することができ、前述の効果が得られる。

次に基準電圧値、基準電流値の設定の方法について説明する。電圧および電流の検出値が小さくなるのは交流電源の電圧および電流の正弦波のゼロクロス付近であり、基準電圧値と基準電流値およびコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の設定値は、正弦波のゼロクロス付近であって、誤って電力変換装置１００の動作を停止させることのないような値に設定する必要がある。

交流電源１０１の正弦波電圧のゼロクロス付近の小さい電圧の期間において、検出値が基準電圧値または基準電流値を下回ることで、停電または瞬断、瞬停でないときに誤って電力変換装置の動作を停止させないための、基準電圧値の設定の仕方についての概略図を図４に示す。
図４において、交流電源１０１の正弦波電圧のゼロクロスの点からコンデンサ放電許容時間Ｔ２１である５００ｕｓの２分の１の時間（２５０ｕｓ）の位相の値を基準電圧の上限値Ｖａとすると、基準電圧値は基準電圧の上限値Ｖａ以下のどのような値でも良い。基準電圧値を基準電圧の上限値以下とするのは電圧の検出誤差および検出の遅延等を考慮する必要があるためである。基準電流値、基準電流の上限値の場合も上記と同様である。

基準電圧値を基準電圧の上限値Ｖａ以下とすることで、交流電源１０１の定常出力電圧時において、電圧の検出値はコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間で継続して基準電圧値以下とならないため、誤ってＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させることを防止できる。前述のようにコンデンサ放電許容時間Ｔ２１、基準電圧値、基準電流値を設定することで、コンデンサ電圧がコンデンサ放電許容電圧以下に低下しないほどの、交流電圧の変化ではＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は動作を継続することができる。

また、例えば、停電を検知するために基準電圧値を０とすると、センサの読み取り誤差により、停電が発生していても、交流電圧がないことを検知できない可能性がある。前述のように基準電圧の上限値を設定し、基準電圧値を基準電圧の上限値以下で、０Ｖより高い値に設定することで、交流電源１０１の定常出力電圧にはＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を停止させず、交流電源１０１の電圧が低下した時には停止させることができる。本効果は基準電流値の場合においても同様である。

交流電源１０１の出力電圧の時間の関数Ｖ（ｔ）は時間をｔ、交流電源の電圧の実効値をＶｓとすると式（２）で表される。
Ｖ（ｔ）＝√２×Ｖｓ×ｓｉｎ（２πｆｔ） （２）
交流電源１０１の正弦波電圧のゼロクロスの点からコンデンサ放電許容時間Ｔ２１を５００ｕｓの２分の１の時間（２５０ｕｓ）の位相での電圧値は式（２）より、交流電源の電圧の実効値Ｖｓに依存することがわかる。交流電源１０１に商用電源を想定した場合、交流電源１０１の電圧の実効値は国によって異なり、また変動することが想定される。そのため、基準電圧値は電圧検出部によって検出した交流電源１０１の電圧（ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の入力電圧）の実効値からの割合で設定することとする。

電源周波数を一例として４２．５Ｈｚ、時刻ｔをコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の２分の１の時間２５０ｕｓとすると式（２）の右辺の√２×ｓｉｎ（２πｆｔ）は０．０４７と求まるため、基準電圧の上限値は、交流電源１０１の出力電圧Ｖｓの実効値の４．７％の値とわかる。よって、ここでは一例として基準電圧値は基準電圧の上限値の４．７％以下の値である３％とする。検出した交流電源１０１の電圧の実効値の３％を基準電圧値とすることで、交流電源１０１の出力電圧が変化しても、誤ってＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させることを防止できる。

周波数ｆを４２．５Ｈｚとしたのは、周波数が低い程、基準電圧の上限値は低くなり誤った動作の停止を防ぐことができるためであり、商用周波数５０Ｈｚの－１５％を考慮した値である。
なお、本実施の形態では、交流電源１０１の電圧の実効値に対する割合で基準電圧値を設定したが、交流電源１０１の電圧の波高値（√２×Ｖｓ）に対する割合で基準電圧値を設定しても良い。
電流検出部１０７の検出値を用いたコンデンサ放電許容時間Ｔ２１と基準電流値、基準電流上限値の設定に関しても、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１と基準電圧値、基準電圧上限値の場合と同様である。

前述のように基準電圧値および基準電流値を、それぞれ電圧の実効値または電流の実効値に応じた値に設定することで、様々な交流電圧、交流電流でも、交流電圧、交流電流の大きさに応じて基準電圧値および基準電流値を設定できる。

仮に、基準電圧値を実効値からの演算で決めない場合には、交流電源１０１の定常出力電圧時に誤ってＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を停止させないために、交流電圧値が小さい場合を想定して、基準電圧値を小さく設定する必要がある。しかし、そうした場合、交流電圧値が大きいときに、例えば停電すると、停止が遅くなり、コンデンサ電圧が限界まで低下してしまい、想定外のことが起こることによって突入電流が発生してしまう危険性がある。そのため、基準電圧値を実効値からの演算で決めた場合、交流電圧値の大きさに応じてＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を停止させるため、安全である。本効果は基準電流値の場合においても同様である。

また、実効値の３％に基準電圧値を設定する場合、実効値が大きいほど基準電圧値も大きくなる。そのため、例えば、実効値の３％の値が所定電圧値以上の場合には、前記基準電圧値を前記所定電圧値に設定し、所定電圧値未満の場合には、前記基準電圧値を前記ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の入力電流の実効値を用いた演算によって求めた値とする。電流検出部１０７の検出値による基準電流値の設定に関しても、基準電圧値の場合と同様である。

電力変換装置１００は短い時間で出来るだけ大きな電力を変換することが望まれるため、動作可能なときにはできるだけ、電力変換装置１００を動作させ続けることとする。前述のように基準電圧値に上限を設けることで、基準電圧値が大きくなりすぎて、交流電源電圧が低下した場合、必要以上に停止することを防ぐことができる。本効果は基準電流値の場合においても同様である。

本実施の形態では実効値からの演算によって電圧基準値および電流基準値を設定しているが、センサ誤差および交流電源１０１の電圧範囲等を考慮して、電圧基準値と電流基準値の片方もしくは両方を一定値に設定してもよい。これにより、より簡易なシステム構成により突入電流を防止することができる。

電流検出部１０７の検出値による基準電流値は、電力変換装置１００の出力電力および入力電力が小さい場合に、制御部１０６内のＡＣ／ＤＣコンバータ制御部１０６ａがもつＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の入力電流の目標値が小さいため、入力電流は小さくなる。そのため、電流検出部１０７の検出値は停電、瞬断、瞬停でないときにも小さい値になり、検知値がコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間、基準電流値以下となる可能性がある。

そのため、停電、瞬断、瞬停が要因で入力電流が小さくなっていることを検知するために、基準電流値はＡＣ／ＤＣコンバータ制御部１０６ａがもつＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の入力電流の目標値に所定値を減算した値としてもよい。
交流電源１０１の電圧は、製品により規定される交流電源１０１の電圧範囲において、最小電圧値がある程度大きな値に規定されているが、電流が小さい値でも電力変換装置１００は動作を継続する必要があるため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の入力電流の目標値に応じた基準電流値を設定する必要がある。

また、本実施の形態では電圧検出部１０８の検出値の絶対値が基準電圧値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続し、かつ、電流検出部１０７の検出値の絶対値が基準電流値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続した時に、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させる。

そのため、電流検出部１０７の検出値の絶対値が小さく、基準電流値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続した場合であっても、電圧検出部１０８の検出値の絶対値が基準電圧値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続していなければ、動作継続可能となる。

逆に、交流電源１０１の電圧が低下し、電圧検出部１０８の検出値の絶対値が基準電圧値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続していても、入力電流があれば電流検出部１０７の検出値の絶対値が基準電流値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続しないため動作を継続できる。入力電流または入力電圧があればコンデンサ１０３は充電できコンデンサ１０３の電圧は低下せず、電力変換装置１００は電力を出力可能であるため、これにより、電力変換装置１００は動作可能なときは可能な限り動作することができる。

なお、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２および前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が動作中において、電圧検出部１０８と電流検出部１０７のうち少なくとも一つ以上の検出値の絶対値が、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間、それぞれ基準電圧値または基準電流値以下となる場合に前記制御部１０６がＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させることとしてもよい。これにより、入力電流、入力電圧のどちらかもしくは両方がなくなった時に停止させるため、より早く動作を停止させることでき、よりコンデンサ電圧が低下しない、より突入電流が防げる安全な状態で停止させることができる。

また、電流検出部１０７の検出値に関係なく、電圧検出部１０８の検出値の絶対値が基準電圧値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間継続した場合に、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させることとした場合、電圧検出部１０８と電流検出部１０７のうち少なくとも一つ以上の検出値の絶対値が、コンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間、それぞれ基準電圧値または基準電流値以下となる場合に停止させることとした場合に比べて、状況により、より早く動作を停止させることができるため、よりコンデンサ電圧が低下しない、より突入電流が防げる安全な状態で停止させることができると共に、電圧検出部１０８の検出値しか判定に使用しないため、より簡単なシステムで突入電流の防止が可能となる。

交流電源１０１の電圧が低下したことで電力変換装置１００を停止させた後、交流電源１０１の電圧が復電した場合の動作について説明する。
交流電源１０１が停電または瞬断、瞬停したことで電力変換装置１００を停止させた後、交流電源１０１の電圧が復電した場合、電力変換装置１００は動作可能であるため、電圧検出部１０８を用いて交流電源１０１の電圧があることを検出したら、制御部１０６がＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を再起動させることとする。

これは、電力変換装置１００は短い時間で出来るだけ大きな電力を変換することが望まれるため、動作可能なときには直ちに動作することとする。

但し、制御部１０６がＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を再起動させる際には、制御部１０６がＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を制御する際に使用していた制御定数を初期化した後に再起動させることとする。

これは、再起動させた際、例えば、停止時または停止直前に使用されていた制御部１０６の内部の積分項等の制御定数を用いると、再起動後の応答性によって、制御が不安定になり、コンデンサ１０３の電圧が変動し、場合によってはコンデンサ電圧が交流電源電圧を下回ることで突入電流が発生する場合があるからである。

更に、交流電源１０１の電圧が停電、瞬断、瞬停等で低下し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させた場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が動作時にＯＮとしていたスイッチング手段１１１を直ちにＯＦＦに切り替え、電流制限抵抗１１０を交流電源１０１とＡＣ／ＤＣコンバータ１０２間の電流経路に挿入することで復電時の突入電流を防止することとする。

これは、例えば交流電源１０１が停電してから復電するまでの時間が長い場合、ＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを停止させたとしても、放電抵抗等によりコンデンサ１０３の電圧が低下し、コンデンサ１０３の電圧が低下している状態で交流電源１０１が復電すると大きな突入電流が発生する恐れがあるためである。

再起動する際には、コンデンサ電圧検出部１０９を用いてコンデンサ１０３の電圧が所定電圧以上あることを検知することを行い、動作開始時の起動シーケンスでＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を再起動させることとする。

これは、コンデンサ電圧が通常より低下した状態で動作を始めた場合、制御の応答性によってはコンデンサ電圧が交流電源電圧を下回り、突入電流が発生する可能性があるからである。また起動時のシーケンスを使用することで、電力変換装置１００の動作を単純化することが可能となる。

実施の形態において、停電を判定するために、電圧検出部１０８の検出値だけでなく、電流検出部１０７の検出値を使用するのは、入力電流があり、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２がコンデンサ１０３に電力を供給できる間であれば、できるだけ動作を継続させるためである。
そのため、電流検出部１０７の検出値を使用せずに、電圧検出部１０８の検出値の絶対値が基準電圧値以下をコンデンサ放電許容時間Ｔ２１の間、継続した場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作を停止させてもよい。

本願では、半導体素子の材料に例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドまたはそれらと同類のワイドバンドギャップ半導体を用いた構成が可能である。
これは、本願では突入電流の発生を防止しているため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を構成している半導体素子に高い耐電流性を持たせる必要が無いため、耐電流性が小さいワイドバンドギャップ半導体であっても使用可能となる。

また、電力変換装置１００にワイドバンドギャップ半導体材料の素子を使用する利点として、ワイドバンドギャップ半導体材料の素子以外のスイッチング素子に比べて、スイッチンング周波数を速くできるため、電力変換装置１００の小型、高効率化が可能となる点がある。スイッチング周波数を速くするために、制御部１０６内で行っている制御の制御周波数およびクロック周波数が高く設定されている。そのため、ワイドバンドギャップ半導体材料のスイッチング素子を使用して、本願を適用した場合、制御周波数およびクロック周波数が高く設定されているために、停止させる条件が揃った場合に、より直ちにＡＣ／ＤＣコンバータ１０２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を停止でき、より突入電流を防止し易い構成にできるという効果を得ることができる。

本実施の形態の電力変換装置１００における制御の手順について図５に基づいて説明する。図５のステップＳＴ１において制御がスタートすると、ステップＳＴ２において、前述のとおりコンデンサの放電許容時間の設定、電力変換装置の基準電圧値の設定、電力変換装置の基準電流値の設定を行う。そして、電力変換装置の電流検出部および電圧検出部による検出値から、ステップＳＴ３において交流電源の停電、瞬断、瞬停を検知し、交流電源の異常を検知すると、ステップＳＴ４において時間経過におけるコンデンサ電圧の低下値を予測し、ステップＳＴ５において、交流電源の異常がコンデンサ放電許容時間以上継続したか否かを判断し、継続する場合には、ステップＳＴ６において電力変換装置の動作を停止し、継続しない場合には、ステップＳＴ７において再び交流電源の電圧及び電流の検出を継続し、ステップＳＴ３における検知を実施する。また、ステップＳＴ６において、電力変換装置の動作を停止した後も、交流電源の状況の確認を継続することになる。

ここで、ステップＳＴ２において設定される基準電圧値は、図４において説明しているように、基準電圧値は交流電源の電圧のゼロクロス点から前記コンデンサ放電許容時間Ｔ２１の２分の１の時間の位相での交流電源の電圧の絶対値以下である。また、基準電流値は、同様に図４において説明しているように、交流電源の電流のゼロクロス点から前記コンデンサ放電許容時間Ｔ２１の２分の１の時間の位相での交流電源の電流の絶対値以下である。また、基準電圧値を、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧の実効値を用いた演算によって決まる値を使用することもでき、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧の実効値を用いた演算によって決まる値が所定電圧値以上の場合には、基準電圧値を所定電圧値に設定することもできる。また、基準電流値についても、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流の実効値を用いた演算によって決まる値を使用することができ、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流の実効値を用いた演算によって決まる値が所定電流値以上の場合には、基準電流値を所定電流値に設定することもできる。

また、ステップＳＴ６において、制御部がＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させた後、交流電源が復電した場合、制御部がＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを再度動作させる。これによって、電力変換装置が再度定常の運転を行うことになる。また、電力変換装置を動作させる際にＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを制御するための制御定数を制御部が持ち、制御部がＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させた後に交流電源が復電した場合に、制御部はこの制御定数を初期化した後に、ＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを再度動作させることができる。この場合、制御部は動作開始時の所定の起動シーケンスでＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを再度動作させることになる。

なお、制御部１０６は、ハードウエアの構成の一例を図６に示すように、プロセッサ５０１と記憶装置５０２から構成される。記憶装置５０２の内容は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備えている。プロセッサ５０１は、記憶装置５０２から入力されたプログラムを実行する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を備えてもよい。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ５０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ５０１は、演算結果等のデータを記憶装置５０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１００ 電力変換装置、１０１ 交流電源、１０２ ＡＣ／ＤＣコンバータ、１０３ コンデンサ、１０４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０５ 負荷、１０６ 制御部、１０６a ＡＣ／ＤＣコンバータ制御部、１０６ｂ ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部、１０７ 電流検出部、１０８ 電圧検出部、１０９ コンデンサ電圧検出部、１１０ 電流制限抵抗、１１１ スイッチング手段、５０１ プロセッサ、５０２ 記憶装置

Claims (10)

1. 交流電源と負荷との間に設けられる電力変換装置であって、前記交流電源から供給される電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電力を直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続されたコンデンサとを有する電力変換部、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧を検出する電圧検出部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流を検出する電流検出部とを有する電力検出部、および基準電圧値または基準電流値を有し、前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータが動作中、前記電圧検出部と前記電流検出部のうちのいずれか一方または両方の検出値の絶対値が所定時間、前記基準電圧値以下または前記基準電流値以下となる場合に前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる制御部を備え、前記基準電圧値が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧の実効値を用いた演算によって決まる値であって、前記演算によって決まる値が所定電圧値以上の場合には、前記基準電圧値を前記所定電圧値に設定することを特徴とする電力変換装置。
2. 交流電源と負荷との間に設けられる電力変換装置であって、前記交流電源から供給される電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電力を直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続されたコンデンサとを有する電力変換部、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧を検出する電圧検出部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流を検出する電流検出部とを有する電力検出部、および基準電圧値または基準電流値を有し、前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータが動作中、前記電圧検出部と前記電流検出部のうちのいずれか一方または両方の検出値の絶対値が所定時間、前記基準電圧値以下または前記基準電流値以下となる場合に前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる制御部を備え、前記基準電流値が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流の実効値を用いた演算によって決まる値であって、前記演算によって決まる値が所定電流値以上の場合には、前記基準電流値を前記所定電流値に設定することを特徴とする電力変換装置。
3. 交流電源と負荷との間に設けられる電力変換装置であって、前記交流電源から供給される電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電力を直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続されたコンデンサとを有する電力変換部、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧を検出する電圧検出部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流を検出する電流検出部とを有する電力検出部、および基準電圧値または基準電流値を有し、前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータが動作中、前記電圧検出部と前記電流検出部のうちのいずれか一方または両方の検出値の絶対値が所定時間、前記基準電圧値以下または前記基準電流値以下となる場合に前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる制御部を備え、前記制御部は前記ＡＣ／ＤＣコンバータを制御するための入力電流の目標値を持ち、前記基準電流値は、前記目標値から所定値を減算した値であることを特徴とする電力変換装置。
4. 前記電力変換装置において、前記所定時間は、前記交流電源の電圧が低下した時刻から、前記コンデンサの電圧が前記交流電源の最大値以下になる時刻までよりも短い時間であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記所定時間を設定する演算には、出力電力Ｐ、前記コンデンサの容量Ｃ、前記交流電源の電圧が低下した時刻の交流電源の電圧Ｖ０、復電時の交流電源の電圧の最大値Ｖ１を使用し、前記出力電力Ｐは前記電力変換装置の最大の出力電力であり、前記コンデンサの容量Ｃはコンデンサの初期容量偏差、温度ばらつき、経年劣化を考慮した最低の容量であり、前記電圧Ｖ０は前記電力変換装置が動作時の最低の前記コンデンサの電圧であり、前記復電時の交流電源の電圧の最大値Ｖ１は前記電力変換装置が製品として規定される入力電圧の最大値であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記所定時間は５００マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部が前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させた後、前記交流電源が復電した場合、前記制御部が前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータを再度動作させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記電力変換装置を動作させる際に前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するための制御定数を前記制御部が持ち、前記制御部が前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させた後に前記交流電源が復電した場合に、前記制御部は前記制御定数を初期化した後に、前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータを再度動作させることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記制御部が前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させた後に前記交流電源が復電した場合、前記制御部は動作開始時の所定の起動シーケンスで前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータを再度動作させることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
10. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータが半導体素子によって構成され、前記半導体素子の材料にはワイドバンドギャップ半導体材料が使用されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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