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公開番号2025050523
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-04
出願番号2023159369
出願日2023-09-25
発明の名称電力変換装置
出願人ニチコン株式会社
代理人個人
主分類H02M 7/12 20060101AFI20250328BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】バランサー回路を備えた電力変換装置の電力の損失の削減、装置の小型化を図る。
【解決手段】交流入力電力を整流平滑した直流電力とバッテリーからの直流電力とをインバータ回路で交流出力電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、整流回路と、直列接続されたハイサイドおよびローサイドのコンデンサを有し整流回路による整流後の電力を平滑する平滑回路と、ハイサイドおよびローサイドのコンデンサに並列接続されたハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子を有しハイサイドおよびローサイドのコンデンサの電圧をバランスさせるバランサー回路と、ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子をオンオフ制御する制御部とを備え、制御部は、ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子を交互にオンするとともに、互いに独立したデューティ比でオンオフ制御することを特徴とする電力変換装置である。
【選択図】図6

特許請求の範囲【請求項１】
交流入力電力を整流平滑した直流電力と、バッテリーからの直流電力とをインバータ回路で交流出力電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、
前記交流入力電力を整流する整流回路と、
直列接続されたハイサイドおよびローサイドのコンデンサを有し、前記整流回路による整流後の電力を平滑する平滑回路と、
前記ハイサイドおよびローサイドのコンデンサにそれぞれ並列接続されたハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子を有し、前記ハイサイドおよびローサイドのコンデンサの電圧をバランスさせるバランサー回路と、
前記ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子をオンオフ制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子を交互にオンするとともに、互いに独立したデューティ比でオンオフ制御することを特徴とする電力変換装置。
続きを表示（約 830 文字）【請求項２】
前記整流回路の入力端子の一端と、前記インバータ回路の出力端子の一端とが、前記ハイサイドおよびローサイドのコンデンサの接続点に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記バランサー回路において、前記ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子の接続点は、コイルを介して前記ハイサイドおよびローサイドのコンデンサの接続点に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記ハイサイドおよびローサイドの両コンデンサの電圧が平衡状態であるときは前記ハイサイドおよびローサイドの両スイッチング素子をデューティ比の下限値で動作させ、前記両コンデンサの電圧が不平衡状態で前記両スイッチング素子の一方のデューティ比が大きくなっているときに他方のスイッチング素子をデューティ比の下限値で動作させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記ハイサイドおよびローサイドの両スイッチング素子のデューティ比に所定の上限値を設け、
前記制御部は、前記ハイサイドおよびローサイドの両コンデンサの電圧が不平衡状態であっても、前記両スイッチング素子のデューティ比を前記上限値で動作させることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記ハイサイドのコンデンサまたは前記ローサイドのコンデンサの電圧値が所定値以上となったとき、当該コンデンサに並列接続された前記スイッチング素子のデューティ比と前記電圧値との積が一定となるように、前記ハイサイドのコンデンサまたは前記ローサイドのコンデンサの電圧値の上昇に伴い、当該コンデンサに並列接続された前記スイッチング素子のデューティ比の前記上限値を減少させることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、詳しくは電力変換装置のバランサー回路の制御方式に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
通常、無停電電源（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply）装置と呼ばれる電力変換装置は、制御不全、故障などによって過電圧が発生し、装置が有する電解コンデンサの耐電圧を超えてしまうおそれがあるので、装置内の直流電源電圧を監視して警報を発して停止する仕組みになっている。
そのため、ＵＰＳ装置に接続する負荷の種類により不都合が生じて直流電源電圧の異常を検出して停止しないように、制御回路（バランサー回路）が設けられている。
【０００３】
特許文献１の図６に記載された電力変換装置は、その制御回路を設けた発明である（図１０参照）。この電力変換装置は、不平衡な負荷特性に対する２つのコンデンサのバランス機能をもつことによりインバータの安定な運転継続を実現する。
【０００４】
この電力変換装置は、系統電源１０が正常であるとき、インバータ出力の負荷１が不平衡の場合、負荷１に不平衡な電流が流れるため、コンデンサ８、９の電圧をそれぞれ所望の電圧値になるように制御する。
すなわち、負荷１に正極側では電流が流れ負極側では電流が流れないような不平衡の電流のときは、コンデンサ８の放電量がコンデンサ９の放電量よりも多くなる。その結果、コンデンサ８の電圧ＶＣ１とコンデンサ９の電圧ＶＣ２との間に電圧差が発生するため、電力変換装置は電圧差を検出し、コンデンサ８をより充電するように制御する。
【０００５】
また、系統電源１０が停電しバッテリー１１からの電力で動作する場合に、負荷１が上記のような不平衡な負荷特性を持った場合にインバータ２６を安定に動作させるために、図１１に示すように、リレー５４およびスイッチ５０、５１を用い、さらに図１２に示す制御回路を用いて、コンデンサ８および９の電圧が安定となるように制御する。
すなわち、バッテリー１１の電力はスイッチ３１およびダイオード３２によりリアクトル１２およびリレー２４を介して、コンデンサ８およびコンデンサ９を同時に同じ電力で充電するため、負荷１が不平衡な負荷特性を持つ場合には、コンデンサ８およびコンデンサ９の電圧がアンバランスとなり安定しない。
【０００６】
このため、図１２の制御回路によりスイッチ（ＳＷ）５０、５１をオンオフして、コンデンサ８および９の電圧が安定となるように制御する。
図１２に示す制御回路のブロック図において、７０および７２は減算器、７１および７３は例えばＰＩ制御器に代表される制御器、７４は比較器、７５は三角波信号、７６はＮＯＴ回路であり、制御回路はコンデンサ９の電圧ＶＣ２を指令値ＶＣ２＊となるように制御する。
【０００７】
図１２において、減算器７０にて電圧ＶＣ２の指令値との誤差を演算し制御器７１に演算値が出力される。制御器７１は演算値に応じた信号ＩＢＡＬ＊を出力し、図１１に示す電流ＩＢＡＬが信号ＩＢＡＬ＊に等しくなるように、減算器７２にて電流ＩＢＡＬの指令値に対する誤差を演算し、制御器７３へ演算値が出力される。制御器７３は演算値に応じた電圧指令ＶＢＡＬ＊を出力し、比較器７４にて三角波信号と比較し、その結果をスイッチ５０のオン信号ＳＷ５０とし、ＮＯＴ回路７６にて反転された結果をスイッチ５１のオン信号ＳＷ５１とする。
【０００８】
このような制御回路を構成することにより電圧ＶＣ２はその指令値ＶＣ２＊と一致するように制御される。これにより、電圧ＶＣ２が安定し、電圧ＶＣ１とＶＣ２の和電圧が所望の値に制御されているため、結果として電圧ＶＣ１も安定する。
ここで、電圧ＶＣ１と電圧ＶＣ２が平衡状態になるとき、ＳＷ５０とＳＷ５１のオン時間は等しくなり、デューティ比（オン時間／周期）はそれぞれ５０％となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２０００―２７８９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に示された発明は、平衡時にはＳＷ５０とＳＷ５１のデューティ比は、共に５０％となる。このときのコイル５５に励磁されるエネルギーは、正極負極の電源を行き交うことから鉄損、コイル５５の導線抵抗、半導体スイッチのオン抵抗などの損失が発生する。
損失を抑制するためには、ＳＷ５０およびＳＷ５１のキャリア周波数を低く抑えたり、コイル５５のインダクタンスを上げるなどの対策が必要となるが、補償するエネルギーを増やすにはコイル５５のインダクタンスを下げる必要があり、トレードオフの関係となる問題がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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