專(zhuān)利名稱(chēng)：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具備改善輸入功率因數(shù)的電路而將交流電力變換為直流電力的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
以往的電力變換裝置構(gòu)成為如下將輸入交流通過(guò)二極管橋進(jìn)行全波整流，在二極管橋的一端連接電抗器，而且在其后級(jí)與二極管橋的另一個(gè)輸出端之間連接開(kāi)關(guān)元件。 在其后級(jí)經(jīng)由二極管來(lái)連接在輸出級(jí)，通過(guò)接通斷開(kāi)上述的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，進(jìn)行改善輸入功率因數(shù)的輸入電流控制和輸出級(jí)的電壓控制(例如，參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2000-116126號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
在這種電力變換裝置中，為了控制來(lái)自交流電源的電流，由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)對(duì)交流電壓以高頻進(jìn)行開(kāi)關(guān)，因此產(chǎn)生很大的損耗以及噪聲。另外當(dāng)為了避免該問(wèn)題而降低開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，為了得到良好的輸入功率因數(shù)而需要大的限流用電抗器。本發(fā)明是為了解決如上述那樣的問(wèn)題點(diǎn)而作出的，其目的在于，在進(jìn)行改善輸入功率因數(shù)的輸入電流控制和輸出級(jí)的電壓控制來(lái)將交流電力變換為直流電力的電力變換裝置中，降低電力損耗以及噪聲、且不需要大的限流電路而促進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)的小型化。與本發(fā)明有關(guān)的電力變換裝置，具備整流電路，對(duì)來(lái)自交流輸入電源的輸入進(jìn)行整流；逆變器電路，串聯(lián)連接分別具有多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件和直流電壓源的一個(gè)以上的單相逆變器的交流側(cè)而構(gòu)成，將該交流側(cè)串聯(lián)連接在所述整流電路的輸出來(lái)將所述各單相逆變器的輸出的總和重疊在所述整流電路的輸出；平滑電容器，經(jīng)由整流二極管來(lái)連接在該逆變器電路的后級(jí)并對(duì)該輸出進(jìn)行平滑；以及短路用開(kāi)關(guān)，一端連接在所述逆變器電路，另一端連接在所述平滑電容器的一端。而且，使用電流指令來(lái)對(duì)所述逆變器電路進(jìn)行輸出控制，使得所述平滑電容器的電壓追蹤目標(biāo)電壓并且改善來(lái)自所述交流輸入電源的輸入功率因數(shù)。另外，與本發(fā)明有關(guān)的電力變換裝置，具備逆變器電路，串聯(lián)連接分別具有多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件和直流電壓源的一個(gè)以上的單相逆變器的交流側(cè)而構(gòu)成，將該交流側(cè)串聯(lián)連接在交流輸入電源的第一端子來(lái)將所述各單相逆變器的輸出的總和重疊在交流輸入；平滑電容器，配置在該逆變器電路的后級(jí)，對(duì)該輸出進(jìn)行平滑；以及第一、第二串聯(lián)電路，分別串聯(lián)連接短路用開(kāi)關(guān)和整流二極管并連接在所述平滑電容器的兩端子之間。所述第一串聯(lián)電路的中點(diǎn)連接在所述逆變器電路的后級(jí)的交流輸出線，所述第二串聯(lián)電路的中點(diǎn)連接在所述交流輸入電源的第二端子。而且，使用電流指令對(duì)所述逆變器電路進(jìn)行輸出控制，使得所述平滑電容器的電壓追蹤目標(biāo)電壓并且改善來(lái)自所述交流輸入電源的輸入功率因數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，短路用開(kāi)關(guān)不需要進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)，改善輸入功率因數(shù)且控制輸出級(jí)的電壓的逆變器電路能夠?qū)⒃陂_(kāi)關(guān)動(dòng)作中處理的電壓設(shè)為較小的電壓。因此，不需要大的限流電路就能夠降低開(kāi)關(guān)損耗以及噪聲，能夠?qū)崿F(xiàn)促進(jìn)了電力損耗以及噪聲的降低化和裝置結(jié)構(gòu)的小型化的電力變換裝置。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的動(dòng)作的各部的波形圖。圖3是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的動(dòng)作的圖。圖4是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的動(dòng)作的圖。圖5是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的動(dòng)作的圖。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的逆變器電路的控制的控制框圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施方式1的其它例子的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式2的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖9是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式2的電力變換裝置的動(dòng)作的圖。圖10是本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖11是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置的動(dòng)作的圖。圖12是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置的動(dòng)作的圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式1.下面，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置。圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，作為交流輸入電源的交流電壓電源1(下面，簡(jiǎn)單稱(chēng)作交流電源1)連接在作為整流電路的二極管橋2。二極管橋2的輸出連接在作為限流電路的電抗器3，在其后級(jí)串聯(lián)連接有由單相逆變器構(gòu)成的逆變器電路100的交流側(cè)。構(gòu)成逆變器電路100的單相逆變器由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5、二極管6、7以及直流電壓源8構(gòu)成。這里，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5使用反并聯(lián)連接了二極管的IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管)、在源極 漏極間內(nèi)置了二極管的M0SFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等，另外二極管6、7也可以與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5同樣地由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成。另外，電抗器3也可以串聯(lián)連接在逆變器電路100的后級(jí)。另外，在逆變器電路100的后級(jí)連接了短路用開(kāi)關(guān)9和整流二極管10，整流二極管 10的陰極側(cè)連接在輸出級(jí)的平滑電容器11的正極。這里，短路用開(kāi)關(guān)9與整流二極管10 的陽(yáng)極的連接點(diǎn)連接在逆變器電路100的后級(jí)的交流輸出線，短路用開(kāi)關(guān)9的另一端連接在平滑電容器11的負(fù)極。另外，短路用開(kāi)關(guān)9圖示了由反并聯(lián)連接了二極管的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)，但是不限于此，也可以是機(jī)械式的開(kāi)關(guān)等。根據(jù)圖2所示的各部的波形來(lái)說(shuō)明這樣構(gòu)成的電力變換裝置的動(dòng)作。來(lái)自交流電源1的輸入通過(guò)二極管橋2進(jìn)行全波整流，二極管橋2的后級(jí)的電壓 Viru電流Iin成為如圖2所示那樣的波形。Vdc是控制為固定的目標(biāo)電壓Vdc *的平滑電容器11的直流電壓，在這種情況下，設(shè)電壓Vin的峰值電壓比平滑電容器11的直流電壓Vdc尚。逆變器電路100通過(guò)PWM控制來(lái)控制電流Iin并進(jìn)行輸出使得來(lái)自交流電源1的輸入功率因數(shù)大概變成1，將交流側(cè)的產(chǎn)生電壓重疊在二極管橋2后級(jí)的電壓Vin。如圖 3 圖5所示，當(dāng)在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5斷開(kāi)時(shí)，逆變器電路100內(nèi)的電流通過(guò)二極管6對(duì)直流電壓源8進(jìn)行充電，并通過(guò)二極管7進(jìn)行輸出。另外，當(dāng)只接通半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4時(shí)， 電流通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4和二極管7來(lái)進(jìn)行輸出。另外同樣地，當(dāng)只接通半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件5時(shí)，電流通過(guò)二極管6和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件5來(lái)進(jìn)行輸出。另外，當(dāng)同時(shí)接通半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5時(shí)，通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4使直流電壓源8進(jìn)行放電，并通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件5進(jìn)行輸出。通過(guò)這4種控制的組合控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5來(lái)對(duì)逆變器電路100進(jìn)行PWM控制。設(shè)來(lái)自交流電源1的輸入電壓相位為θ、電壓Vin變得與平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc *相等時(shí)的相位θ = θ 2(0 < θ 2 < π/2),從相位θ = 0到成為0 < θ 1 < θ 2 的規(guī)定相位θ 1為止，將短路用開(kāi)關(guān)9設(shè)為接通狀態(tài)。在這種情況下，如圖3所示，來(lái)自交流電源1的電流以交流電源1 —二極管橋2 —電抗器3 —逆變器電路100 —短路用開(kāi)關(guān)9 — 二極管橋2 —交流電源1的路徑流過(guò)。短路用開(kāi)關(guān)9為接通狀態(tài)，因此在整流二極管10以及輸出級(jí)的平滑電容器11中不流過(guò)電流。逆變器電路100通過(guò)PWM控制來(lái)控制電流I in并進(jìn)行輸出，使得例如組合半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5斷開(kāi)的情況和只接通半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的情況來(lái)產(chǎn)生與電壓Vin的反極性大致相等的電壓、且使輸入功率因數(shù)大概變成1。在這期間， 能量充電到逆變器電路100的直流電壓源8中。接著，當(dāng)相位θ = θ 1時(shí)如果斷開(kāi)短路用開(kāi)關(guān)9，則如圖4所示，來(lái)自交流電源1 的電流以交流電源1 —二極管橋2 —電抗器3 —逆變器電路100 —整流二極管10 —平滑電容器11 —二極管橋2 —交流電源1的路徑流過(guò)。當(dāng)相位θ為θ彡θ 2時(shí)，逆變器電路100通過(guò)PWM控制，例如組合半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5同時(shí)接通的情況和只接通半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的情況來(lái)進(jìn)行輸出。此時(shí)，為使平滑電容器11的直流電壓Vdc能夠維持為目標(biāo)電壓Vdc *，控制電流Iin來(lái)進(jìn)行輸出使得產(chǎn)生與Vdc*-Vin大致相等的電壓、且使輸入功率因數(shù)大概變成1。在這期間，逆變器電路 100產(chǎn)生的電壓極性和電流Iin的極性變得相等，因此逆變器電路100的直流電壓源8進(jìn)行放電。接著，當(dāng)在相位θ = θ 2中電壓Vin變得與平滑電容器11的直流電壓Vdc*相等時(shí)，短路用開(kāi)關(guān)9繼續(xù)為斷開(kāi)狀態(tài)，但是逆變器電路100中的動(dòng)作改變。S卩，當(dāng)相位θ為θ彡π/2時(shí)，如圖5所示，來(lái)自交流電源1的電流以交流電源1 —二極管橋2 —電抗器3 —逆變器電路100 —整流二極管10 —平滑電容器11 —二極管橋2 —交流電源1的路徑流過(guò)。另外，逆變器電路100通過(guò)PWM控制，例如組合半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5斷開(kāi)的情況和只接通半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件5的情況來(lái)進(jìn)行輸出。此時(shí)，平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc *彡電壓Vin，逆變器電路100為使平滑電容器11的直流電壓Vdc能夠維持為目標(biāo)電壓Vdc *，控制電流Iin來(lái)進(jìn)行輸出使得相對(duì)Vin的極性為反極性地產(chǎn)生與 Vin-Vdc*大致相等的電壓、且輸入功率因數(shù)大概變成1。在這期間，逆變器電路100產(chǎn)生的電壓極性和電流Iin的極性變得相反，因此逆變器電路100的直流電壓源8被充電。如圖所示，在π/2彡θ彡π的相位期間，進(jìn)行與上述的0彡θ ^ π/2的相位期間對(duì)稱(chēng)的動(dòng)作，在π彡θ彡的相位期間，與0彡θ ( π的相位期間相同。S卩、將來(lái)自交流電源1的輸入電壓的相位θ的過(guò)零(zero-cross)相位(θ = 0、 ^O 士 θ 1作為特定相位來(lái)切換短路用開(kāi)關(guān)9，只在以該過(guò)零相位為中央的士 θ 1的相位范圍(下面，稱(chēng)作短路相位范圍20)中，將短路用開(kāi)關(guān)9設(shè)為接通狀態(tài)來(lái)給平滑電容器11設(shè)旁路。此時(shí)，逆變器電路100控制電流Iin來(lái)進(jìn)行輸出使得產(chǎn)生與電壓Vin的反極性大致相等的電壓、且輸入功率因數(shù)大概變成1，直流電壓源8被充電。并且，在上述短路相位范圍20以外的相位中，逆變器電路100控制電流Iin來(lái)進(jìn)行輸出使得將平滑電容器11的直流電壓Vdc維持為目標(biāo)電壓Vdc *、另外輸入功率因數(shù)大概變成1。此時(shí)，在電壓Vin小于等于平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc *時(shí)，直流電壓源8被放電，當(dāng)電壓Vin大于等于目標(biāo)電壓 Vdc*時(shí)，直流電壓源8被充電。當(dāng)加大θ 1時(shí)，充電到直流電壓源8的能量增大，在之后的放電時(shí)，能夠在高的電壓區(qū)域的電壓Vin上重疊所產(chǎn)生的電壓、并且能夠加大放電的能量。因此，能夠提高平滑電容器11的直流電壓Vdc (目標(biāo)電壓Vdc * )。在θ < π/2的相位期間，逆變器電路100的直流電壓源8如上述那樣在 0 ^ θ ^ θ κ θ 2 ^ θ ^ π/2的期間被充電，在Θ1彡θ彡θ 2的期間被放電。當(dāng)設(shè)逆變器電路100的直流電壓源8的充放電能量相等時(shí)，下面的數(shù)式成立。其中，Vp是電壓 Vin的峰值電壓，Ip是電流Iin的峰值電流。[數(shù)式1]r°'Vp sin θ· Ip sin θ ‘ d0 + 廣 2(Vp sin θ - V: ) · ρ sin θ · dQ
O0:2=/6'( V: - Vp sin θ ) ‘ I p sin θ ■ d6
0I這里，當(dāng)設(shè)為Vin = Vp sin θ , Iin = Ip sin θ 時(shí)，成為
Vdc * = Vp · π / (4cos θ 1)。這樣，平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc*是由決定短路相位范圍20的θ 1來(lái)決定， 即能夠通過(guò)改變?chǔ)?來(lái)進(jìn)行控制。并且，平滑電容器11的直流電壓Vdc被控制為追蹤該目標(biāo)電壓Vdc* ο另外，當(dāng)逆變器電路100的直流電壓源8的電壓設(shè)為Vsub時(shí)，通過(guò)將電壓Vsub設(shè)定為大于等于0彡θ彡θ 1、θ 1彡θ彡θ 2、θ 2彡θ彡π/2的各相位范圍中的逆變器電路100的期望的產(chǎn)生電壓的大小，逆變器電路100能夠可靠性良好地進(jìn)行上述的期望的控制。即、通過(guò)設(shè)定電壓Vsub使得滿足Vp sin θ 1 ^ Vsub, (Vdc * -Vp sin θ 1) ^ Vsub, (Vp-Vdc * ) ( Vsub這3個(gè)條件，以使平滑電容器11的直流電壓Vdc能夠維持為目標(biāo)電壓 Vdc *、而且輸入功率因數(shù)大概變成1的方式控制電流Iin的逆變器電路100的控制能夠在交流電源1的全相位中可靠性良好地進(jìn)行。此外，直流電壓源8的電壓Vsub設(shè)定為小于等于Vin的峰值電壓Vp。接著，下面說(shuō)明控制電流Iin使得平滑電容器11的直流電壓Vdc維持為目標(biāo)電壓 Vdc *、另外輸入功率因數(shù)大概變成1的逆變器電路100的控制的詳細(xì)情況。逆變器電路100是由如圖6所示那樣的控制塊來(lái)進(jìn)行控制的。首先，運(yùn)算將輸出級(jí)的平滑電容器11的直流電壓VdC與目標(biāo)電壓Vdc *的差21a設(shè)為反饋量來(lái)進(jìn)行PI控制的輸出22a。另外，為了將逆變器電路100的直流電壓源8的電壓Vsub保持為固定，運(yùn)算將該電壓Vsub與該目標(biāo)電壓Vsub *的差21b設(shè)為反饋量來(lái)進(jìn)行PI控制的輸出22b，從兩個(gè)輸出2h、22b之和來(lái)決定電流Iin的振幅目標(biāo)值23。并且，根據(jù)該振幅目標(biāo)值23來(lái)生成與電壓Vin同步的正弦波的電流指令I(lǐng)in *。接著，將以電流指令I(lǐng) in*和被檢測(cè)的電流Iin的差M為反饋量來(lái)進(jìn)行PI控制的輸出設(shè)為成為逆變器電路100的產(chǎn)生電壓的目標(biāo)值的電壓指令25。此時(shí)，在短路用開(kāi)關(guān)9的接通/斷開(kāi)切換時(shí)相加同步的前饋補(bǔ)正電壓ΔΥ來(lái)補(bǔ)正電壓指令25。并且，使用補(bǔ)正后的電壓指令26 (短路用開(kāi)關(guān)9的接通/斷開(kāi)切換時(shí)以外是補(bǔ)正前電壓指令25)，通過(guò)PWM控制來(lái)生成向逆變器電路100的各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使逆變器電路100進(jìn)行動(dòng)作。在來(lái)自交流電源1的輸入電壓的過(guò)零相位(θ = 0、π ) 士 θ 1的特定相位中，切換短路用開(kāi)關(guān)9的接通/斷開(kāi)，而逆變器電路100在將短路用開(kāi)關(guān)9從接通設(shè)為斷開(kāi)時(shí)，從對(duì)直流電壓源8進(jìn)行充電的控制切換為進(jìn)行放電的控制，當(dāng)從斷開(kāi)設(shè)為接通時(shí)，從對(duì)直流電壓源8進(jìn)行放電的控制切換為進(jìn)行充電的控制。如上述那樣，通過(guò)在短路用開(kāi)關(guān)9的接通 /斷開(kāi)切換時(shí)相加同步的前饋補(bǔ)正電壓Δ V來(lái)補(bǔ)正電壓指令25，能夠防止控制延遲與反饋控制的響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)的量。此外，前饋補(bǔ)正電壓ΔV在將短路用開(kāi)關(guān)9從接通設(shè)為斷開(kāi)時(shí)為正極性的電壓，在將短路用開(kāi)關(guān)9從斷開(kāi)設(shè)為接通時(shí)為負(fù)極性的電壓。在該實(shí)施方式中，通過(guò)使用如上述那樣的電流指令來(lái)控制逆變器電路100，控制為平滑電容器11的直流電壓VdC追蹤目標(biāo)電壓Vdc *、改善來(lái)自交流電源1的輸入功率因數(shù)。 短路用開(kāi)關(guān)9不需要進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)，改善輸入功率因數(shù)來(lái)控制輸出級(jí)的直流電壓Vdc的逆變器電路100能夠?qū)⒃陂_(kāi)關(guān)動(dòng)作中處理的電壓與交流電源1的峰值電壓相比大幅降低。因此，不需要大的電抗器3就能夠降低開(kāi)關(guān)損耗以及噪聲。另外，短路用開(kāi)關(guān)9為接通狀態(tài)時(shí)， 能夠給平滑電容器11設(shè)旁路來(lái)對(duì)逆變器電路100的直流電壓源8進(jìn)行充電，因此逆變器電路100不產(chǎn)生高的電壓就能夠在交流電源1中流過(guò)電流Iin，并且能夠?qū)⒊潆姷哪芰坑糜谙蚱交娙萜?1的放電。因此，能夠進(jìn)一步降低在開(kāi)關(guān)動(dòng)作中處理的電壓，能夠進(jìn)一步促進(jìn)高效化、低噪聲化。此外，在這種情況下電抗器3不儲(chǔ)存能量，而是作為限制電流的限流電路進(jìn)行動(dòng)作，電流控制的可靠性得到提高。另外，通過(guò)將成為逆變器電路100的直流電壓的直流電壓源8的電壓Vsub設(shè)定為小于等于Vin的峰值電壓Vp，能夠可靠地獲得上述高效化、低噪聲化的效果。另外，只在來(lái)自交流電源1的輸入電壓的特定的相位中使短路用開(kāi)關(guān)9進(jìn)行動(dòng)作， 因此能夠穩(wěn)定地控制電力變換裝置，開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的損耗也幾乎沒(méi)有。另外只在以作為過(guò)零相位的θ = 0、π為中央的士 θ 1的短路相位范圍20中，將短路用開(kāi)關(guān)9設(shè)為接通狀態(tài)來(lái)給平滑電容器11設(shè)旁路，因此不需要在電壓Vin低的區(qū)域中向平滑電容器11進(jìn)行輸出， 能夠構(gòu)成為逆變器電路100的直流電壓低，能夠可靠地獲得高效化、低噪聲化的效果。另外，平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc*能夠根據(jù)短路相位范圍20的θ 1來(lái)進(jìn)行控制，因此能夠容易地控制目標(biāo)電壓Vdc *，設(shè)計(jì)上以及控制上的自由度得到提高。另外，在短路用開(kāi)關(guān)9的接通/斷開(kāi)切換時(shí)，逆變器電路100使用前饋控制來(lái)進(jìn)行控制使得切換直流電壓源8的充電/放電動(dòng)作，因此能夠防止控制延遲與反饋控制的響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)的量，能夠?qū)崿F(xiàn)高速控制。
另外，控制為改變電流指令來(lái)將直流電壓源8的電壓Vsub保持為固定，因此能夠穩(wěn)定地控制電力變換裝置。另外，能夠平衡直流電壓源8的充放電，不需要從外部提供直流電力，裝置結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)便。此外，也可以從外部進(jìn)行直流電壓源8的電壓控制，在這種情況下，在逆變器電路 100的輸出控制中也可以不進(jìn)行將電壓Vsub保持為固定的控制。在上述實(shí)施方式中，設(shè)為電壓Vin的峰值電壓比平滑電容器11的直流電壓Vdc 高，但也可以是低。在這種情況下，沒(méi)有上述的θ < π/2的相位范圍中的動(dòng)作，在 O^ θ ^ θ 1中直流電壓源8進(jìn)行充電，在θ < π/2中直流電壓源8進(jìn)行放電的動(dòng)作。另外，作為θ 1 = 0也能夠?qū)⒍搪酚瞄_(kāi)關(guān)9設(shè)為始終斷開(kāi)狀態(tài)，在這種情況下，在 O^ θ ^ θ 2中直流電壓源8進(jìn)行放電，在θ < π/2中直流電壓源8進(jìn)行充電的動(dòng)作。另外，在上述實(shí)施方式中，整流二極管10的陰極側(cè)連接在輸出級(jí)的平滑電容器11 的正極，但是也可以配置成整流二極管10連接在平滑電容器11的負(fù)極側(cè)、該負(fù)極連接在整流二極管10的陽(yáng)極側(cè)，獲得與上述實(shí)施方式相同的動(dòng)作。另外，在上述實(shí)施方式中，表示了逆變器電路100由1個(gè)單相逆變器構(gòu)成的情況， 但是如圖7所示，也可以串聯(lián)連接多個(gè)單相逆變器IOOaUOOb的交流側(cè)來(lái)構(gòu)成逆變器電路 200。在這種情況下，各單相逆變器IOOaUOOb的輸出的總和成為逆變器電路200的輸出， 與上述實(shí)施方式相同地使用電流指令來(lái)控制為平滑電容器11的直流電壓追蹤目標(biāo)電壓、 且改善來(lái)自交流電源1的輸入功率因數(shù)。并且，將交流側(cè)的產(chǎn)生電壓重疊在二極管橋2后級(jí)的電壓Vin。在這種情況下，逆變器電路200既可以通過(guò)以多個(gè)單相逆變器的輸出的總和產(chǎn)生階梯狀的電壓波形的等級(jí)控制來(lái)進(jìn)行輸出，另外也可以只由多個(gè)單相逆變器中的特定的單相逆變器來(lái)進(jìn)行PWM控制。實(shí)施方式2.在上述實(shí)施方式1中短路用開(kāi)關(guān)9的一端連接在逆變器電路100的交流輸出線， 但是在該實(shí)施方式2中，如圖8所示，短路用開(kāi)關(guān)9a的一端連接在構(gòu)成逆變器電路100的直流電壓源8的負(fù)極側(cè)。如上述實(shí)施方式1相同，短路用開(kāi)關(guān)9a的另一端連接在平滑電容器11的負(fù)極側(cè)、即二極管橋2的一端。在該實(shí)施方式中，逆變器電路100以及短路用開(kāi)關(guān)9a的控制與上述實(shí)施方式1相同，但是在短路用開(kāi)關(guān)9a為接通狀態(tài)時(shí)、即來(lái)自交流電源1的輸入電壓相位θ為過(guò)零相位 (Θ =0、π)士 θ 1的短路相位范圍20中，電流路徑成為圖9所示。來(lái)自交流電源1的電流以交流電源1 —二極管橋2 —電抗器3 —逆變器電路100的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4 —短路用開(kāi)關(guān)9a —二極管橋2 —交流電源1的路徑、或者交流電源1 —二極管橋2 —電抗器3 —逆變器電路100的二極管6 —直流電壓源8 —短路用開(kāi)關(guān)9a —二極管橋2 —交流電源1流過(guò)。此時(shí)，與上述實(shí)施方式1相同，在θ = θ 1中斷開(kāi)短路用開(kāi)關(guān)9a為止，能量充電到逆變器電路100的直流電壓源8中。在斷開(kāi)了短路用開(kāi)關(guān)9a之后，成為與上述實(shí)施方式1的圖4、圖5中所示的電流路徑相同的電流路徑。在該實(shí)施方式2中，能夠獲得與上述實(shí)施方式1相同的效果，并且將短路用開(kāi)關(guān)9a 連接在直流電壓源8的負(fù)極側(cè)，因此能夠降低接通短路用開(kāi)關(guān)9a時(shí)電流通過(guò)的元件數(shù)，能夠降低導(dǎo)通損耗，能夠提高電力變換裝置整體的變換效率。此外，如圖7中所示，在串聯(lián)連接多個(gè)單相逆變器IOOaUOOb的交流側(cè)來(lái)構(gòu)成逆變器電路200的情況下，通過(guò)在多個(gè)單相逆變器IOOaUOOb中、連接在最后級(jí)的單相逆變器 IOOb中的直流電壓源8的負(fù)極側(cè)連接短路用開(kāi)關(guān)9a，同樣地進(jìn)行動(dòng)作來(lái)起到相同的效果。實(shí)施方式3.接著，根據(jù)圖10來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置。如圖10所示，來(lái)自交流電源1的第1端子的輸出被連接在電抗器3，在其后級(jí)串聯(lián)連接由單相逆變器構(gòu)成的逆變器電路300的交流側(cè)。逆變器電路300內(nèi)的單相逆變器由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5、16、17以及直流電壓源8構(gòu)成，該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、5、16、17由反并聯(lián)連接了二極管的IGBT、在源極·漏極間內(nèi)置了二極管的MOSFET等構(gòu)成。另外，串聯(lián)連接由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的短路用開(kāi)關(guān)1 和整流二極管13a來(lái)構(gòu)成逆變器的第1串聯(lián)電路15a的中點(diǎn)被連接在逆變器電路300的后級(jí)的交流輸出線，而且串聯(lián)連接由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的短路用開(kāi)關(guān)12b和整流二極管1 來(lái)構(gòu)成逆變器的第2 串聯(lián)電路15b的中點(diǎn)被連接在交流電源1的第2端子。并且，第1、第2串聯(lián)電路1如、1恥并聯(lián)連接，連接在輸出級(jí)的平滑電容器11的兩端子間。在這種情況下，各短路用開(kāi)關(guān)12a、12b不限于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，也可以是機(jī)械式的開(kāi)關(guān)等，但是反并聯(lián)連接二極管14a、14b。在這樣構(gòu)成的電力變換裝置的動(dòng)作中，也與上述實(shí)施方式1相同地，逆變器電路 300通過(guò)PWM控制來(lái)控制電流Iin進(jìn)行輸出使得平滑電容器11的直流電壓Vdc能夠維持為固定的目標(biāo)電壓另外使得來(lái)自交流電源1的輸入功率因數(shù)大概變成1，將交流側(cè)的產(chǎn)生電壓重疊在來(lái)自交流電源1的輸入電壓Vin。并且，將來(lái)自交流電源1的輸入電壓的相位 θ的過(guò)零相位(θ = 0、π ) 士 θ 1設(shè)為特定相位來(lái)切換短路用開(kāi)關(guān)12a、12b，只在以該過(guò)零相位為中央的士 θ 1的短路相位范圍20，將短路用開(kāi)關(guān)12a、12b設(shè)為接通狀態(tài)來(lái)給平滑電容器11設(shè)旁路。如圖11所示，在短路相位范圍20中，首先在交流電源1的極性為正的情況下，當(dāng)電壓Vin的相位θ例如為0彡θ ( θ 1時(shí)，如果將短路用開(kāi)關(guān)12a、12b設(shè)為接通狀態(tài)，則電流以交流電源1 —電抗器3 —逆變器電路300 —短路用開(kāi)關(guān)12a —短路用開(kāi)關(guān)12b —交流電源1的路徑流過(guò)。在交流電源1的極性為負(fù)的情況下，當(dāng)電壓Vin的相位θ例如為 π < θ < π +θ 1時(shí)，如果將短路用開(kāi)關(guān)12a、12b設(shè)為接通狀態(tài)，則電流以圖11中所示的相反的路徑來(lái)以交流電源1 —短路用開(kāi)關(guān)12b —短路用開(kāi)關(guān)12a —逆變器電路300 —電抗器3 —交流電源1的路徑流過(guò)。此時(shí)，逆變器電路300通過(guò)PWM控制來(lái)控制電流Iin進(jìn)行輸出使得產(chǎn)生與電壓Vin的反極性大致相等的電壓、且輸入功率因數(shù)大概變成1，在這期間，能量充電到逆變器電路300的直流電壓源8中。此外，短路用開(kāi)關(guān)12a、12b在短路相位范圍20中同時(shí)地設(shè)為接通狀態(tài)，但是也可以在交流電源1的極性為正的情況下只將短路用開(kāi)關(guān)1 設(shè)為接通狀態(tài)、在交流電源1的極性為負(fù)的情況下只將短路用開(kāi)關(guān)12b設(shè)為接通狀態(tài)，在這種情況下，經(jīng)過(guò)連接在另一個(gè)短路用開(kāi)關(guān)12b、12a的二極管14b、1 來(lái)流過(guò)電流。并且，當(dāng)電壓Vin的相位θ為過(guò)零相位(θ = 0、π ) 士 θ 1時(shí)，如果斷開(kāi)短路用開(kāi)關(guān)12a、12b，則電流如下地流過(guò)。首先在交流電源1的極性為正的情況下，如圖12那樣，電流以交流電源1 —電抗器3 —逆變器電路300 —整流二極管13a —平滑電容器11 —短路用開(kāi)關(guān)12b的二極管14b —交流電源1的路徑流過(guò)。在交流電源1的極性為負(fù)的情況下， 電流以交流電源1 —整流二極管13b —平滑電容器11 —短路用開(kāi)關(guān)12a的二極管1 — 逆變器電路300 —電抗器3 —交流電源1的路徑流過(guò)。此時(shí)，逆變器電路300控制電流Iin 來(lái)進(jìn)行輸出使得將平滑電容器11的直流電壓Vdc維持為目標(biāo)電壓Vdc *、另外輸入功率因數(shù)大概變成1。此時(shí)，當(dāng)電壓Vin的絕對(duì)值小于等于平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc*時(shí)，直流電壓源8被放電，當(dāng)電壓Vin的絕對(duì)值大于等于目標(biāo)電壓Vdc *時(shí)，直流電壓源8被充電。在該實(shí)施方式中，也與上述實(shí)施方式1相同，平滑電容器11的目標(biāo)電壓Vdc *是由決定短路相位范圍20的θ 1來(lái)決定的、即能夠改變?chǔ)?1來(lái)進(jìn)行控制。并且，控制平滑電容器11的直流電壓Vdc使得追蹤該目標(biāo)電壓Vdc *。另外，直流電壓源8的電壓Vsub設(shè)定為小于等于Vin的峰值電壓Vp，通過(guò)設(shè)定電壓 Vsub 使得滿足 Vp sin θ 1 ^ Vsub, (Vdc * -Vp sin θ 1)彡 Vsub, (Vp-Vdc * )彡 Vsub 這 3個(gè)條件，控制電流Iin使得平滑電容器11的直流電壓Vdc能夠維持為目標(biāo)電壓Vdc*、另外輸入功率因數(shù)大概變成1的逆變器電路300的控制，能夠在交流電源1的全相位中可靠性良好地進(jìn)行。另外，逆變器電路300與上述實(shí)施方式1相同地生成電流指令，利用根據(jù)該電流指令運(yùn)算的電壓指令來(lái)進(jìn)行控制。另外此時(shí)，與上述實(shí)施方式1相同地，短路用開(kāi)關(guān)12a、12b 的接通/斷開(kāi)切換時(shí)相加同步的前饋補(bǔ)正電壓來(lái)補(bǔ)正電壓指令，切換直流電壓源8的充電/放電動(dòng)作。由此，能夠防止控制延遲與反饋控制的響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)的量，能夠?qū)崿F(xiàn)高速控制。在該實(shí)施方式3中，與上述實(shí)施方式1相同地，通過(guò)逆變器電路300的控制來(lái)改善輸入功率因數(shù)且控制輸出級(jí)的直流電壓Vdc，因此能夠?qū)⒃陂_(kāi)關(guān)動(dòng)作中處理的電壓與交流電源1的峰值電壓相比大幅降低，不需要大的電抗器3就能夠降低開(kāi)關(guān)損耗以及噪聲。另外，具備短路用開(kāi)關(guān)12a、12b，當(dāng)短路用開(kāi)關(guān)12a、12b為接通狀態(tài)時(shí)，能夠給平滑電容器11 設(shè)旁路來(lái)對(duì)逆變器電路300的直流電壓源8進(jìn)行充電，因此能夠進(jìn)一步降低在開(kāi)關(guān)動(dòng)作中處理的電壓，能夠進(jìn)一步促進(jìn)高效化、低噪聲化，能夠獲得與上述實(shí)施方式1相同的效果。而且，設(shè)為不需要在上述實(shí)施方式1中使用的二極管橋2，因此能夠降低部件數(shù)量，裝置結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)便。另外，能夠降低電流通過(guò)的元件數(shù)，因此能夠降低導(dǎo)通損耗，能夠提高電力變換裝置整體的變換效率。此外，在該實(shí)施方式3中，也可以如圖7中所示，串聯(lián)連接多個(gè)單相逆變器的交流側(cè)來(lái)構(gòu)成逆變器電路300。另外，在上述各實(shí)施方式中，對(duì)平滑電容器11連接了整流二極管10、13a、13b，但是也可以代替這些整流二極管10、13a、13b而連接半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)接通/斷開(kāi)控制來(lái)進(jìn)行相同的動(dòng)作。
1權(quán)利要求
1.一種電力變換裝置，其特征在于，具備 整流電路，對(duì)來(lái)自交流輸入電源的輸入進(jìn)行整流；逆變器電路，串聯(lián)連接分別具有多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件和直流電壓源的一個(gè)以上的單相逆變器的交流側(cè)而構(gòu)成，將該交流側(cè)串聯(lián)連接在所述整流電路的輸出來(lái)將所述各單相逆變器的輸出的總和重疊在所述整流電路的輸出；平滑電容器，經(jīng)由整流二極管連接在該逆變器電路的后級(jí)并對(duì)該輸出進(jìn)行平滑；以及短路用開(kāi)關(guān)，一端連接在所述逆變器電路，另一端連接在所述平滑電容器的一端， 其中，使用電流指令來(lái)對(duì)所述逆變器電路進(jìn)行輸出控制，使得所述平滑電容器的電壓追蹤目標(biāo)電壓并且改善來(lái)自所述交流輸入電源的輸入功率因數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，所述各單相逆變器由在所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件上串聯(lián)連接了二極管的2組串聯(lián)電路和所述直流電壓源構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述短路用開(kāi)關(guān)的一端連接在所述逆變器電路的后級(jí)的交流輸出線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于，所述短路用開(kāi)關(guān)的一端連接到構(gòu)成所述逆變器電路的一個(gè)以上的所述單相逆變器中連接在最后級(jí)的單相逆變器中的所述直流電壓源的一端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，接通/斷開(kāi)所述短路用開(kāi)關(guān)的相位是來(lái)自所述交流輸入電源的輸入電壓的特定相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力變換裝置，其特征在于，只在以來(lái)自所述交流輸入電源的輸入電壓的過(guò)零相位為中央的規(guī)定相位范圍，將所述短路用開(kāi)關(guān)設(shè)為接通狀態(tài)來(lái)給所述平滑電容器設(shè)旁路。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或者6所述的電力變換裝置，其特征在于，通過(guò)改變接通/斷開(kāi)所述短路用開(kāi)關(guān)的所述特定相位來(lái)調(diào)整所述平滑電容器的目標(biāo)電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或者6所述的電力變換裝置，其特征在于，在所述短路用開(kāi)關(guān)的接通/斷開(kāi)切換時(shí)，所述逆變器電路被控制為切換直流電力的充電/放電動(dòng)作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、5或者6中的任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于， 在所述逆變器電路的交流側(cè)串聯(lián)連接了限流電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、5或者6中的任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于，改變所述電流指令來(lái)對(duì)所述逆變器電路進(jìn)行輸出控制，使得所述逆變器電路的直流電壓成為規(guī)定值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、5或者6中的任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于， 將所述逆變器電路的直流電壓設(shè)定為小于等于所述交流輸入電源的電壓峰值。
12.一種電力變換裝置，其特征在于，具備逆變器電路，串聯(lián)連接分別具有多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件和直流電壓源的一個(gè)以上的單相逆變器的交流側(cè)而構(gòu)成，將該交流側(cè)串聯(lián)連接在交流輸入電源的第一端子來(lái)將所述各單相逆變器的輸出的總和重疊在交流輸入；平滑電容器，配置在該逆變器電路的后級(jí)，對(duì)該輸出進(jìn)行平滑；以及第一、第二串聯(lián)電路，分別串聯(lián)連接短路用開(kāi)關(guān)和整流二極管并連接在所述平滑電容器的兩端子之間，其中，所述第一串聯(lián)電路的中點(diǎn)連接在所述逆變器電路的后級(jí)的交流輸出線，所述第二串聯(lián)電路的中點(diǎn)連接在所述交流輸入電源的第二端子，使用電流指令對(duì)所述逆變器電路進(jìn)行輸出控制，使得所述平滑電容器的電壓追蹤目標(biāo)電壓并且改善來(lái)自所述交流輸入電源的輸入功率因數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電力變換裝置，其特征在于，對(duì)所述短路用開(kāi)關(guān)反并聯(lián)連接了二極管。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電力變換裝置，其特征在于，接通/斷開(kāi)所述短路用開(kāi)關(guān)的相位是來(lái)自所述交流輸入電源的輸入電壓的特定相位。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電力變換裝置，其特征在于，只在以來(lái)自所述交流輸入電源的輸入電壓的過(guò)零相位為中央的規(guī)定相位范圍，將所述短路用開(kāi)關(guān)設(shè)為接通狀態(tài)來(lái)給所述平滑電容器設(shè)旁路。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或者15所述的電力變換裝置，其特征在于，通過(guò)改變接通/斷開(kāi)所述短路用開(kāi)關(guān)的所述特定相位來(lái)調(diào)整所述平滑電容器的目標(biāo)電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或者15所述的電力變換裝置，其特征在于，所述短路用開(kāi)關(guān)的接通/斷開(kāi)切換時(shí)，所述逆變器電路被控制為切換直流電力的充電 /放電動(dòng)作。
18.根據(jù)權(quán)利要求12 15中的任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于，在所述逆變器電路的交流側(cè)串聯(lián)連接了限流電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求12 15中的任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于，改變所述電流指令來(lái)對(duì)所述逆變器電路進(jìn)行輸出控制，使得所述逆變器電路的直流電壓成為規(guī)定值。
20.根據(jù)權(quán)利要求12 15中的任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于，將所述逆變器電路的直流電壓設(shè)定為小于等于所述交流輸入電源的電壓峰值。
全文摘要
在將交流電力變換為直流電力的電力變換裝置中，在對(duì)交流輸入進(jìn)行整流的后級(jí)，串聯(lián)連接將一個(gè)以上的單相逆變器進(jìn)行串聯(lián)連接的逆變器電路(100)。在逆變器電路(100)的后級(jí)，具備經(jīng)由整流二極管(10)來(lái)連接的平滑電容器(11)、以及給平滑電容器(11)設(shè)旁路的短路用開(kāi)關(guān)(9)。并且，短路用開(kāi)關(guān)(9)只在以過(guò)零相位為中央的短路相位范圍(20)中設(shè)為接通狀態(tài)，使用電流指令來(lái)對(duì)逆變器電路(100)進(jìn)行輸出控制使得平滑電容器(11)的直流電壓追蹤目標(biāo)電壓、改善輸入功率因數(shù)。
文檔編號(hào)H02M7/12GK102379081SQ20098015852
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者伊藤典和, 山田正樹(shù), 巖田明彥, 浦壁隆浩 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社