电力变换装置制造方法
【专利摘要】将具有直流电容器（105）的逆变器电路（100）与交流电源（1）串联连接，在其后级经由转换器电路（300）连接平滑电容器（3），在1个周期内设置使转换器电路（300）的交流端子之间短路的短路期间T来控制转换器电路（300），以改善交流电源功率因数的方式，对逆变器电路（100）进行PWM控制。在无法进行利用逆变器电路（100）的电流控制的情况下，切换为转换器电路（300）的PWM控制而控制电流。
【专利说明】电力变换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及将单相逆变器的交流侧的输出重叠到电源输出上，而得到期望的直流电压的电力变换装置。
【背景技术】
[0002]关于以往的电力变换装置，来自交流电源的第I端子的输出与电抗器连接，在其后级串联连接由单相逆变器构成的逆变器电路的交流侧。逆变器电路内的单相逆变器由半导体开关元件以及直流电压源构成。另外，将各自对短路用开关和整流二极管进行串联连接来构成逆变器的第1、第2串联电路并联连接，连接于输出级的平滑电容器的两个端子之间。第I串联电路的中点与逆变器电路的后级的交流输出线连接，第2串联电路的中点与交流电源的第2端子连接。然后，以能够将平滑电容器的直流电压维持为一定的目标电压的方式，并且以使来自交流电源的输入功率因数大致成为I的方式，通过PWM控制对电流进行控制并输出，将交流侧的发生电压重叠到来自交流电源的输入电压上。然后，仅在以来自交流电源的输入电压的相位的过零相位为中心的短路相位范围内，使短路用开关成为接通状态而使平滑电容器旁路，与短路用开关的接通断开切换同步地，校正逆变器电路的电压指令(例如，参照专利文献I)。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2009-095160号公报
【发明内容】
[0006]发明所要解决的技术问题
[0007]在这样的电力变换装置中，通过短路用开关的接通断开切换，切换逆变器电路的直流电压源的充放电，来保持直流电压源的电压，逆变器电路以控制电流的方式被进行输出控制。但是，如果逆变器电路的直流电压低，则无法进行利用逆变器电路的电流控制，所以需要将逆变器电路的直流电压源的电压维持为能够进行电流控制的比较高的电压。因此，需要电力变换装置的高耐压化，妨碍小型化以及电力损失降低。
[0008]本发明是为了消除上述那样的问题而完成的，其目的在于得到能够降低逆变器电路的直流电压而可靠性良好地持续进行电流控制、小型且电力损失低的电力变换装置。
[0009]解决技术问题的技术方案
[0010]本发明的电力变换装置具备:逆变器电路，具有多个半导体开关元件以及直流电容器，与交流电源的第I端子串联连接；转换器电路，在直流母线之间具有多个半导体开关元件，一方的交流端子与所述逆变器电路串联连接，另一方的交流端子与所述交流电源的第2端子连接，对所述直流母线之间输出直流电力；平滑电容器，连接于所述直流母线之间，使所述转换器电路的输出平滑；以及控制电路，使所述逆变器电路的所述直流电容器的电压跟随所设定的电压指令值，使所述平滑电容器的电压跟随目标电压，以使作为来自所述交流电源的电流的输入电流的功率因数成为I的方式，控制所述逆变器电路以及所述转换器电路。另外，所述控制电路具有在包括所述交流电源的过零相位的期间内使所述转换器电路的所述交流端子之间持续地短路而使所述平滑电容器旁路的短路期间、和将所述转换器电路的直流输出持续输出到所述平滑电容器的开路期间，使所述逆变器电路的所述直流电容器的电压跟随所设定的电压指令值，并且在所述短路期间以及所述开路期间，对所述逆变器电路进行PWM控制，设置根据所述直流电容器的电压对所述转换器电路进行PWM控制的期间，切换所述逆变器电路的PWM控制和所述转换器电路的PWM控制，以使所述输入电流的功率因数成为I的方式进行控制。
[0011]发明效果
[0012]根据本发明的电力变换装置，控制电路设置根据直流电容器的电压对转换器电路进行PWM控制的期间，切换逆变器电路的PWM控制和转换器电路的PWM控制，以使输入电流的功率因数成为I的方式进行控制。因此，能够无需将逆变器电路的直流电压维持为高的电压就持续进行电流控制。由此，能够降低逆变器电路的直流电压来可靠性良好地持续进行电流控制，实现电力变换装置的小型化以及电力损失降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的实施方式I的电力变换装置的结构图。
[0014]图2是说明本发明的实施方式I的电力变换装置的动力运转动作的电流路径图。
[0015]图3是说明本发明的实施方式I的电力变换装置的动力运转动作的电流路径图。
[0016]图4是说明本发明的实施方式I的电力变换装置的动力运转动作的电流路径图。
[0017]图5是说明本发明的实施方式I的电力变换装置的动力运转动作的电流路径图。
[0018]图6是示出说明本发明的实施方式I的电力变换装置的升压时的基本动作的各部的波形和逆变器电路的直流电容器充放电的图。
[0019]图7是示出说明本发明的实施方式I的电力变换装置的降压时的基本动作的各部的波形和逆变器电路的直流电容器充放电的图。
[0020]图8是将本发明的实施方式I的电力变换装置中的电流控制切换动作与各部的波形图一起说明的图。
[0021]图9是利用本发明的实施方式I的转换器电路的电流控制时的逆变器电路内的电流路径图。
[0022]图10是示出本发明的实施方式I的控制电路中的转换器电路的控制的控制框图。
[0023]图11是示出本发明的实施方式I的控制电路中的转换器电路的控制的部分控制框图。
[0024]图12是示出本发明的实施方式I的控制电路中的逆变器电路的控制的控制框图。
[0025]图13是将本发明的实施方式2的电力变换装置中的电流控制切换动作与各部的波形图一起说明的图。
[0026]图14是说明本发明的实施方式2的控制电路中的转换器电路的控制的部分控制框图。
[0027]图15是将本发明的实施方式3的电力变换装置中的电流控制切换动作与各部的波形图一起说明的图。[0028]图16是将本发明的实施方式4的电力变换装置中的电流控制切换动作与各部的波形图一起说明的图。
[0029]图17是说明本发明的实施方式5的电力变换装置的再生动作的电流路径图。
[0030]图18是说明本发明的实施方式5的电力变换装置的再生动作的电流路径图。
[0031]图19是说明本发明的实施方式5的电力变换装置的再生动作的电流路径图。
[0032]图20是说明本发明的实施方式5的电力变换装置的再生动作的电流路径图。
[0033]图21是将本发明的实施方式5的电力变换装置中的电流控制切换动作的第I例与各部的波形图一起说明的图。
[0034]图22是将本发明的实施方式5的电力变换装置中的电流控制切换动作的第2例与各部的波形图一起说明的图。
[0035]图23是将本发明的实施方式5的电力变换装置中的电流控制切换动作的第3例与各部的波形图一起说明的图。
[0036]图24是将本发明的实施方式5的电力变换装置中的电流控制切换动作的第4例与各部的波形图一起说明的图。
[0037]图25是将本发明的实施方式6的电力变换装置中的电流控制切换动作与各部的波形图一起说明的图。
[0038]图26是将本发明的实施方式6的电力变换装置中的电流控制切换动作的其它例子与各部的波形图一起说明的图。
[0039]图27是示出本发明的实施方式6的控制电路中的逆变器电路的控制的控制框图。
【具体实施方式】
[0040]实施方式1.[0041]以下，说明本发明的实施方式I的电力变换装置。图1是本发明的实施方式I的电力变换装置的概略结构图。
[0042]如图1所示，电力变换装置具备用于将交流电源I的交流电力变换为直流电力而输出的主电路和控制电路10。
[0043]主电路具备作为限流电路的电抗器2、逆变器电路100、转换器电路300、以及平滑电容器3。来自交流电源I的第I端子的输出与电抗器2连接，在其后级串联连接由单相逆变器构成的逆变器电路100的交流侧。转换器电路300的一方的交流端子与逆变器电路100的后级的交流输出线连接，另一方的交流端子与交流电源I的第2端子连接，对在转换器电路300的直流母线3a、3b之间连接的平滑电容器3输出直流电力。
[0044]逆变器电路100内的单相逆变器是由将二极管IOlb~104b逆并联地连接了的多个IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)等半导体开关元件IOla~104a、以及直流电容器105构成的全桥结构的逆变器。
[0045]转换器电路300在直流母线之间具有多个半导体开关元件301a~304a，在该情况下，在直流母线之间并联连接两个桥电路而构成，这两个桥电路各自串联连接了逆并联地连接有二极管301b~304b的多个IGBT等半导体开关元件301a~304a中的两个。
[0046]对逆变器电路100的后级的交流输出线，连接转换器电路300的半导体开关元件301a的发射极与半导体开关元件302a的集电极的连接点。另外，半导体开关元件303a的发射极和半导体开关元件304a的集电极的连接点与交流电源I的上述第2端子连接。
[0047]另外，半导体开关元件IOla~104a、301a~304a除了 IGBT以外，也可以是在源极?漏极之间内置有二极管的 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)等。
[0048]另外，电抗器2也可以在逆变器电路100与转换器电路300之间串联连接。
[0049]控制电路10根据逆变器电路100的直流电容器105的电压Vsub、平滑电容器3的电压Vdc、以及来自交流电源I的电压Vin、电流Iin，以使平滑电容器3的电压Vdc成为一定的目标电压Vdc*的方式，生成向逆变器电路100以及转换器电路300内的各半导体开关元件IOla~104a、301a~304a的栅极信号11、12而对逆变器电路100以及转换器电路300进行输出控制。
[0050]对平滑电容器3连接有未图示的负载，在通常时，电压Vdc比目标电压Vdc*更低，控制电路10以变换来自交流电源I的交流电力而对平滑电容器3供给直流电力的方式，对逆变器电路100以及转换器电路300进行输出控制。
[0051]根据附图，说明这样构成的电力变换装置的动力运转动作、即对平滑电容器3输出直流电力的动作。图2~图5示出动力运转动作中的电流路径图。另外，图6是示出说明电力变换装置的升压时的基本的动力运转动作的各部的波形和逆变器电路100的直流电容器105的充放电的图。图7是示出说明电力变换装置的降压时的基本的动力运转动作的各部的波形和逆变器电路100的直流电容器105的充放电的图。
[0052]另外，将输出级的平滑电容器3的电压Vdc比交流电源I的电压Vin的峰值电压Vp高的情况称为升压，将 输出级的平滑电容器3的电压Vdc比交流电源I的电压Vin的峰值电压Vp低的情况称为降压。另外，在图6、图7中，示出平滑电容器3的电压Vdc被控制为一定的目标电压Vdc*的状态。
[0053]来自交流电源I的电压Vin成为图6、图7所示那样的波形。逆变器电路100以使来自交流电源I的输入功率因数大致成为I的方式通过PWM控制来控制电流Iin并输出，将交流侧的发生电压重叠于作为交流电源I的输出的电压Vin上。以下，将以使来自交流电源I的输入功率因数大致成为I的方式控制电流Iin简称为电流控制。
[0054]将交流电源I的电压相位设为Θ，首先，示出电压Vin是正极性的O = Θ〈 Ji的情况。
[0055]在逆变器电路100中，在半导体开关元件101a、104a为接通、半导体开关元件102a、103a为断开时，以对直流电容器105进行充电的方式流过，在半导体开关元件102a、103a为接通、半导体开关元件101a、104a为断开时，以对直流电容器105进行放电的方式流过。另外，在半导体开关元件101a、103a为接通、半导体开关元件102a、104a为断开时、以及半导体开关元件102a、104a为接通、半导体开关元件101a、103a为断开时，电流不流入直流电容器105而流过。通过这样的4种控制的组合来控制半导体开关元件IOla~104a而使逆变器电路100进行PWM动作，从而使直流电容器105进行充放电来进行电流控制。另外，在各半导体开关元件IOla~104a中流过的电流从发射极流向集电极时,也可以使该半导体开关元件断开而在逆并联连接的二极管IOlb~104b中流过电流。
[0056]如图2所示，来自交流电源I的电流被电抗器2限流，输入到逆变器电路100，其输出通过转换器电路300内的二极管301b对平滑电容器3进行充电，经由二极管304b返回到交流电源I。此时，在逆变器电路100中，通过上述4种控制的组合进行PWM动作，从而使直流电容器105进行充放电来进行电流控制。
[0057]在以交流电源I的电压Vin的过零相位为中心的土 Θ I的相位范围(以下称为短路期间T)内，如图3所示，在转换器电路300中，使成为短路开关的半导体开关元件302a成为接通状态而使平滑电容器3旁路。此时，使转换器电路300内的其它半导体开关元件301a、303a、304a断开。来自交流电源I的电流被电抗器2限流，输入到逆变器电路100而对直流电容器105进行充电，经由转换器电路300内的半导体开关元件302a、二极管304b返回到交流电源I。此时，在逆变器电路100中，通过对直流电容器105进行充电的控制和使电流不流入的控制的组合进行PWM动作，从而使直流电容器105进行充电，进行电流控制。
[0058]接下来，说明电压Vin是负极性的^ Θ <2 Ji的情况。
[0059]在逆变器电路100中，在半导体开关元件102a、103a为接通、半导体开关元件101a、104a为断开时，以对直流电容器105进行充电的方式流过，在半导体开关元件101a、104a为接通、半导体开关元件102a、103a为断开时，以对直流电容器105进行放电的方式流过。另外，在半导体开关元件101a、103a为接通、半导体开关元件102a、104a为断开时、以及半导体开关元件102a、104a为接通、半导体开关元件101a、103a为断开时，电流不流入直流电容器105而流过。通过这样的4种控制的组合，控制半导体开关元件IOla~104a而使逆变器电路100进行PWM动作，从而使直流电容器105进行充放电来进行电流控制。
[0060]如图4所示，来自交流电源I的电流通过转换器电路300内的二极管303b，对平滑电容器3进行充电，经由二极管302b输入到逆变器电路100，逆变器电路100的输出经由电抗器2返回到交流电源I。此时，在逆变器电路100中，通过上述4种控制的组合进行PWM动作，从而使直流电容器105进行充放电来进行电流控制。
[0061]在短路期间T中，如图5所示，在转换器电路300中，使成为短路开关的半导体开关元件304a成为接通状态而使平滑电容器3旁路。此时`，使转换器电路300内的其它半导体开关元件301a、302a、303a断开。来自交流电源I的电流经由转换器电路300的半导体开关元件304a、二极管302b输入到逆变器电路100，对直流电容器105进行充电，经由电抗器2返回到交流电源I。此时，在逆变器电路100中，通过对直流电容器105进行充电的控制和使电流不流入的控制的组合进行PWM动作，从而使直流电容器105进行充电来进行电流控制。
[0062]这样，在转换器电路300的动作中，有使转换器电路300的交流端子之间持续地短路而使平滑电容器3旁路的短路期间T、和将转换器电路300的直流输出持续输出到平滑电容器3的期间(以下称为开路期间K)，在短路期间T以及开路期间K中的任意一个中，都通过逆变器电路100的PWM动作来控制电流。另外，在图6、图7中，示出逆变器电路100的直流电容器105的电压比较高，且能够在交流电源电压的全部相位下进行利用逆变器电路100的PWM动作的电流控制的情况，短路期间T以外的全部期间成为开路期间K。另外，关于直流电容器105的电压条件，后述。
[0063]另外，示出了在转换器电路300中，使半导体开关元件302a、304a仅在作为短路开关动作时接通的情况，但在各二极管301b~304b中流过电流的情况下，也可以使逆并联连接了该二极管的半导体开关元件301a~304a接通而在半导体开关元件301a~304a侧流过电流。即，也可以不论电压Vin是正负中的哪一个极性，在短路期间T中使两个半导体开关元件302a、304a都作为短路开关接通，并且，也可以使其它两个半导体开关元件301a、303a作为短路开关接通。
[0064]通过这样的动作，在电力变换装置的升压时，如图6所示，逆变器电路100在短路期间T中输出电压(_Vin)，通过交流电源I对直流电容器105进行充电，之后，在0! ^ θ<π-θ1的开路期间K中对直流电容器105进行放电时，对交流电源I的电压Vin加上作为逆变器电路100的输出电压的(Vdc*-Vin)，从而将平滑电容器3的电压Vdc控制为比交流电源I的峰值电压高的目标电压Vdc'
[0065]另外，在电力变换装置的降压时，如图7所示，逆变器电路100在短路期间T中输出电压(-Vin)，通过交流电源I对直流电容器105进行充电，在之后的开路期间K中，对交流电源I的电压Vin加上逆变器电路100的输出电压，从而将平滑电容器3的电压Vdc控制为比交流电源I的峰值电压低的目标电压Vdc'如果交流电源I的电压Vin成为与平滑电容器3的目标电压Vdc*相等时的相位θ = θ2 (O〈02〈ji/2)，则在θι兰θ〈θ2、π-θ2 ^ θ〈j1-Θ i时，逆变器电路100输出电压(Vdc*-Vin)而对直流电容器105进行放电，在θ2= Θ〈 J1-θ2时，逆变器电路100输出负极性的电压(Vdf-Vin)而对直流电容器105进行充电。
[0066]如以上那样，在动力运转动作中，在交流电源I的电压相位Θ的过零相位(θ=0、
处，切换转换器电路300的控制，在作为以该过零相位为中心的土 θ I的相位范围
的短路期间T中，使成为短路开关的半导体开关元件302a、304a持续成为接通状态而使平滑电容器3旁路。此时，逆变器电路100发生与电压Vin的逆极性大致相等的电压，同时以使输入功率因数大致成为I的方式控制电流I in并输出，直流电容器105被充电。然后，在将转换器电路300的直流输出持续输出到平滑电容器3的开路期间K中，逆变器电路100将平滑电容器3的直流电压Vdc维持为目标电压Vdc%并且以使输入功率因数大致成为I的方式，控制电流I in并输出。此时，在电压Vin的绝对值是平滑电容器3的目标电压Vdc*以下时，直流电容器105被放电，在电压Vin的绝对值是目标电压Vdc*以上时，直流电容器105被充电。
[0067]另外，关于短路期间T，将过零相位(Θ =0、Ji )设为短路期间T的中心，但短路期间T也可以是在包含过零相位的相位范围内，中心偏向某一侧。
[0068]另外，关于短路期间T的相位范围，能够以使逆变器电路100的直流电容器105的充电和放电的能量相等的方式决定。如果设为能够在交流电源电压的全部相位下进行利用逆变器电路100的PWM动作的电流控制，且逆变器电路100的直流电容器105的充放电量是O、即充电和放电的能量相等，则在Vdc*〈Vp的降压时的情况下，以下的公式A成立。其中，Vp是电压Vin的峰值电压，Ip是电流Iin的峰值电流。
[0069][式I]
[0070]
【权利要求】
1.一种电力变换装置，其特征在于，具备: 逆变器电路，具有多个半导体开关元件以及直流电容器，与交流电源的第I端子串联连接； 转换器电路，在直流母线之间具有多个半导体开关元件，一方的交流端子与所述逆变器电路串联连接，另一方的交流端子与所述交流电源的第2端子连接，对所述直流母线之间输出直流电力； 平滑电容器，连接于所述直流母线之间，使所述转换器电路的输出平滑；以及 控制电路，使所述逆变器电路的所述直流电容器的电压跟随所设定的电压指令值，使所述平滑电容器的电压跟随目标电压，以使作为来自所述交流电源的电流的输入电流的功率因数成为I的方式，控制所述逆变器电路以及所述转换器电路， 所述控制电路具有在包括所述交流电源的过零相位的期间中使所述转换器电路的所述交流端子之间持续地短路而使所述平滑电容器旁路的短路期间、和将所述转换器电路的直流输出持续输出到所述平滑电容器的开路期间，使所述逆变器电路的所述直流电容器的电压跟随所设定的电压指令值，并且在所述短路期间以及所述开路期间中对所述逆变器电路进行PWM控制， 所述控制电路设置根据所述直流电容器的电压对所述转换器电路进行PWM控制的期间，切换所述逆变器电路的PWM控制和所述转换器电路的PWM控制而以使所述输入电流的功率因数成为I的方式进行控制。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路以使所述逆变器电路的所述直流电容器的电压在所述短路期间中成为交流电源电压的大小以上、在所述开路期间中成为所述平滑电容器的电压与所述交流电源电压的大小的差分以上的方式，决定所述短路期间以及所述开路期间。
3.根据权利要求1或者2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路在对所述转换器电路进行PWM控制的期间中将所述逆变器电路的交流侧输出电压控制为O，使将所述短路期间和所述开路期间合起来的所述逆变器电路的所述直流电容器的充放电量成为大致O。
4.根据权利要求1或者2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路在对所述转换器电路进行PWM控制的期间中，使所述逆变器电路将与所述交流电源电压相反的极性的电压持续输出到交流侧，在将所述短路期间、所述开路期间以及所述转换器电路的PWM控制期间合起来的I个周期中，使所述逆变器电路的所述直流电容器的充放电量成为大致O。
5.根据权利要求1或者2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路具备将来自所述平滑电容器的电力再生至所述交流电源的再生功能，在该再生时以使所述输入电流的功率因数成为(-1)的方式，控制所述逆变器电路以及所述转换器电路。
6.根据权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路具备将来自所述平滑电容器的电力再生至所述交流电源的再生功能，在该再生时以使所述输入电流的功率因数成为(-1)的方式，控制所述逆变器电路以及所述转换器电路。
7.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路具备将来自所述平滑电容器的电力再生至所述交流电源的再生功能，在该再生时以使所述输入电流的功率因数成为(-1)的方式，控制所述逆变器电路以及所述转换器电路。
8.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路控制所述逆变器电路以及所述转换器电路，使得在向所述平滑电容器输出电力的动力运转时，在所述短路期间中对所述逆变器电路的所述直流电容器进行充电，在来自所述平滑电容器的电力再生时，在所述短路期间中对所述逆变器电路的所述直流电容器进行放电。
9.根据权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路控制所述逆变器电路以及所述转换器电路，使得在向所述平滑电容器输出电力的动力运转时，在所述短路期间中对所述逆变器电路的所述直流电容器进行充电，在来自所述平滑电容器的电力再生时，在所述短路期间中对所述逆变器电路的所述直流电容器进行放电。
10.根据权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于， 所述控制电路控制所述逆变器电路以及所述转换器电路，使得在向所述平滑电容器输出电力的动力运转时，在所述短路期间中对所述逆变器电路的所述直流电容器进行充电，在来自所述平滑电容器的电力再生时，在所述短路期间中对所述逆变器电路的所述直流电容器进行放电 。
【文档编号】H02M7/12GK103782500SQ201280043511
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年5月22日 优先权日:2011年9月8日
【发明者】近藤亮太, 村上哲, 山田正树 申请人:三菱电机株式会社