JP5850182B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
インバータ回路4は、スイッチング素子Q1,Q2と双方向スイッチBS1,BS2とを選択的にオンオフさせる。この動作により、出力端子Uと出力端子Vとの間に、所定の交流電圧が出力される。以下では、「出力端子Uと出力端子Vとの間」を「出力端子U−V間」という。出力端子U−V間に出力される交流電圧は、パルス幅変調されたパルス列の電圧である。
フィルタ回路5は、インバータ回路4が出力するパルス列の交流電圧から高周波数成分を除去する。したがって、負荷6には、正弦波状の交流電圧が供給される。
以下では、各端子の電圧を、中性点端子Oの電位を基準とする電位で表す。したがって、直流電源回路30の正側端子Pは、直流電源Pspの正電圧Vpを出力する。直流電源回路30の負側端子Nは、直流電源Psnの負電圧Vnを出力する。交流電源1の端子Rは、交流電源1の電圧Vrを出力する。
したがって、スイッチング素子Q1,Q2は、それぞれの制御信号に基づいて、単方向のオンオフ動作が可能である。また、スイッチング素子Q1,Q2は、それぞれの制御信号の状態に関係なく、ダイオードのアノードからカソードの方向に導通可能である。すなわち、第1と第2のアームは、一方向の導通を制御可能であるが、他方向については常に導通可能である。
スイッチ素子S1,S2は、それぞれの制御信号に従ってオンオフする。また、スイッチ素子S3,S4は、それぞれの制御信号に従ってオンオフする。したがって、第1の双方向スイッチBS1(第3のアーム)は、単方向もしくは双方向に導通することができる。また、第2の双方向スイッチBS2(第4のアーム)は、単方向もしくは双方向に導通することができる。
制御信号G1,G2および制御信号Gs1〜Gs4を生成する方法の一例については、後述する。
双方向スイッチは、図2(a)〜図2(c)に示す構成からなる回路、または同等の機能および効果を有する回路であっても良い。図2(a)は、逆阻止耐圧を有しないIGBTとダイオードとを直列接続した2組の回路を逆並列に接続した回路である。図2(b)は、逆阻止耐圧を有しないIGBTにダイオードを逆並列に接続した2組の回路を逆直列に接続して構成した回路である。図2(c)は、図2(b)の回路において、IGBTをMOSFETに置き換えて構成した回路である。
スイッチング素子Q2が導通することによって、直流電源回路30の負電圧Vnが出力端子Uに出力される。また、スイッチング素子Q2に逆並列に接続されているダイオードが導通することによっても、直流電源回路30の負電圧Vnが出力端子Uに出力される。
スイッチ素子S1,S2のいずれかが導通することによって、交流電源1の電圧Vrが出力端子Uに出力される。また、スイッチ素子S3,S4のいずれかが導通することによって、中性点端子Oのゼロ電圧Vzが出力端子Uに出力される。
インバータ回路40から出力される電圧Vuはパルス幅変調されており、多くの高調波成分を含んでいる。インバータ回路40から出力される交流電圧Vuは、フィルタ回路5によって高調波成分が除去され、負荷6に供給される。
制御周期は、後述するキャリア信号Scの周期に対応している。この制御周期によって定まる各素子のオンオフ周波数(スイッチング周波数)は、電圧指令Vu*の周波数に対して十分高い周波数であるのが望ましい。例えば、電圧指令Vu*の周波数が商用周波数の場合、スイッチング周波数は1kHz以上であるのが好ましい。また、制御周期は、必ずしも、電圧指令Vu*に同期している必要はなく、非同期であっても良い。
なお、電圧指令Vu*は、交流電源1の電圧Vrと非同期の電圧指令とすることもできる。また、電圧指令Vu*は、負荷6の定格入力電圧と異なる振幅を有する電圧指令とすることもできる。
電圧指令生成回路111で生成された電圧指令Vu*は、交流電源1の電圧Vrとともに、制御モード設定回路112に入力される。
図4は、制御モード設定回路112が行う制御モードの設定条件を示している。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrとの関係が、Vu*≧VzかつVr≦Vzであるとき、その制御周期の制御モードは、第1の制御モードCM1に設定される。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrの関係が、Vu*≧VzかつVr>VzかつVu*>Vrであるとき、その制御周期の制御モードは、第2の制御モードCM2に設定される。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrの関係が、Vu*≧VzかつVr>VzかつVu*≦Vrであるとき、その制御周期の制御モードは、第3の制御モードCM3に設定される。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrの関係が、Vu*<VzかつVr<VzかつVu*≧Vrであるとき、その制御周期の制御モードは、第4の制御モードCM4に設定される。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrの関係が、Vu*<VzかつVr<VzかつVu*<Vrであるとき、その制御周期の制御モードは、第5の制御モードCM5に設定される。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrの関係が、Vu*<VzかつVr≧Vzであるとき、その制御周期の制御モードは、第6の制御モードCM6に設定される。制御周期における電圧指令Vu*と交流電源1の電圧Vrの関係が、|Vu*−Vr|<ΔVu*であるとき、その制御周期の制御モードは、第7の制御モードCM7に設定される。
比較回路114は、変調信号αとキャリア信号Scとを比較して、パルス幅変調された信号Spwmを生成する。以下では、パルス幅変調された信号SpwmをPWM信号Spwmという。変調信号αがキャリア信号Sc以上のとき、PWM信号SpwmはHighとなる。変調信号αがキャリア信号Scより小さいとき、PWM信号SpwmはLowとなる。
第1の制御モードCM1では、スイッチング素子Q1が第1の素子として選択される。また、スイッチ素子S4が第2の素子として選択される。そして、スイッチ素子S3がオン素子、スイッチング素子Q2とスイッチ素子S1,S2がオフ素子に設定される。スイッチング素子Q1とスイッチ素子S4とは、休止期間Tdを挟んで、交互にオンオフする。スイッチング素子Q1がオンする期間は、上記(1)式によって算出される変調信号αに対応する期間である。この動作によって、インバータ回路40は、正電圧Vpを用いて、電圧指令Vu*に対応する交流電圧を、出力端子U−V間に出力することができる。
一方、第5の制御モードCM5では、スイッチ素子S2がオン状態にあり、スイッチング素子Q1とスイッチ素子S3,S4がオフ状態にある。そして、スイッチング素子Q2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S1が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第4の制御モードCM4では、スイッチ素子S1,S4がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S3が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第6の制御モードCM6では、スイッチ素子S4がオン状態にあり、スイッチング素子Q1およびスイッチ素子S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチング素子Q2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S3が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第7の制御モードCM7では、スイッチ素子S1,S2がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2およびスイッチ素子S3,S4がオフ状態にある。
一方、第7の制御モードCM7では、スイッチ素子S1,S2がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2およびスイッチ素子S3,S4がオフ状態にある。
一方、第7の制御モードCM7では、スイッチ素子S1,S2がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2およびスイッチ素子S3,S4がオフ状態にある。
一方、第7の制御モードCM7では、スイッチ素子S1,S2がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2およびスイッチ素子S3,S4がオフ状態にある。
一方、第2の制御モードCM2では、スイッチ素子S1がオン状態にあり、スイッチング素子Q2およびスイッチ素子S3,S4がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチング素子Q1が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第6の制御モードCM6では、スイッチ素子S4がオン状態にあり、スイッチング素子Q1およびスイッチ素子S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S3が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチング素子Q2が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第3の制御モードCM3では、スイッチ素子S2,S3がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S1が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S4が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第6の制御モードCM6では、スイッチ素子S4がオン状態にあり、スイッチング素子Q1およびスイッチ素子S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチング素子Q2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S3が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第6の制御モードCM6では、スイッチ素子S4がオン状態にあり、スイッチング素子Q1およびスイッチ素子S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチング素子Q2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S3が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
一方、第4の制御モードCM4では、スイッチ素子S1,S4がオン状態にあり、スイッチング素子Q1,Q2がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S2が、制御信号Honに従ってオンオフ動作をする。また、スイッチ素子S3が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
2 コンデンサ
3,30 直流電源回路
4,40 インバータ回路
5 フィルタ回路
6 負荷
100 制御回路
Claims (16)
- 第1から第4の入力端子と、
第1の出力端子と、
前記第4の入力端子に接続される第2の出力端子と、
前記第1から第4の入力端子それぞれと前記第1の出力端子との間に接続される第1から第4のアームと、
を有し、前記第1から第4の入力端子から入力される電圧を用いて前記第1と第2の出力端子の間に交流電圧を出力する電力変換器を備え、
前記電力変換器は、前記第1から第4のアームのうちから選択した2つのアームを交互にオンオフさせる制御モードで動作し、
前記電力変換器は、異なるアームの組み合わせによる前記制御モードを2以上有し、
前記電力変換器は、その動作を一の制御モードから他の制御モードに切り替えるとき、その切り替え前後において少なくとも1つの共通するアームが双方向に導通可能な状態を継続するタイミングで、前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1の入力端子と前記第4の入力端子との間には第1の直流電圧が入力され、
前記第2の入力端子と前記第4の入力端子との間には第2の直流電圧が入力され、
前記第3の入力端子と前記第4の入力端子との間には交流電圧が入力され、
前記第1と第2の直流電圧の大きさは、前記交流電圧の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1のアームは、第1のスイッチング素子とこれに逆並列に接続される第1のダイオードとを含み、
前記第2のアームは、第2のスイッチング素子とこれに逆並列に接続される第2のダイオードとを含み、
前記第3のアームは、第1のスイッチ素子とこれに逆並列に接続される第2のスイッチ素子とを含み、
前記第4のアームは、第3のスイッチ素子とこれに逆並列に接続される第4のスイッチ素子とを含む、
ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換器が有する制御モードは、第1から第7の制御モードを含み、
前記第1の制御モードは、前記第1の直流電圧を用いて前記第1と第2の出力端子の間に正極性の電圧を出力する制御モードであり、
前記第2の制御モードは、前記交流電圧と前記第1の直流電圧とを用いて前記第1と第2の出力端子の間に正極性の電圧を出力する制御モードであり、
前記第3の制御モードは、前記交流電圧を用いて前記第1と第2の出力端子の間に正極性の電圧を出力する制御モードであり、
前記第4の制御モードは、前記交流電圧を用いて前記第1と第2の出力端子の間に負極性の電圧を出力する制御モードであり、
前記第5の制御モードは、前記交流電圧と前記第1の直流電圧とを用いて前記第1と第2の出力端子の間に負極性の電圧を出力する制御モードであり、
前記第6の制御モードは、前記第2の直流電圧を用いて前記第1と第2の出力端子の間に負極性の電圧を出力する制御モードであり、
前記第7の制御モードは、前記交流電圧を前記第1と第2の出力端子の間に出力する制御モードである、
ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換器は、前記第3と第4のスイッチ素子がオンしているときに、前記第1と第6の制御モードとの間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第1と第2のスイッチ素子がオンしているときに、前記第2と第5の制御モードとの間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第1と第2のスイッチ素子がオンしているときに、前記第3と第4の制御モードとの間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第1と第2のスイッチ素子がオンしているときに、前記第7の制御モードと前記第2から第5の制御モードのいずれかと間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第1のスイッチング素子がオンしているときに、前記第1の制御モードと前記第2の制御モードとの間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第2のスイッチング素子がオンしているときに、前記第5の制御モードと前記第6の制御モードの間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第3と第4のスイッチ素子がオンしているときに、前記第3の制御モードと前記第1または第6の制御モードのいずれかとの間で前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、前記第3と第4のスイッチ素子がオンしているときに、前記第4の制御モードと前記第1または第6の制御モードのいずれかとの間で前記制御モードの切替えを行う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4に記載の電力変換装置であって、さらに制御回路を備え、
前記電力変換器は、パルス幅変調された信号に基づく電圧を前記第1と第2の出力端子の間に出力し、
前記制御回路は、
前記電力変換器が出力する電圧の指令を生成するための電圧指令生成回路と、前記電力変換器の制御モードが前記第1から第7の制御モードのいずれであるかを示す制御モード信号を生成するための制御モード設定回路と、
前記パルス幅変調された信号を生成するためのパルス幅変調回路と、
前記変調信号を生成するための変調信号生成回路と、
前記キャリア信号を生成するためのキャリア信号生成回路と、
を備え、
前記電圧指令生成回路は、少なくとも、前記交流電圧に基づいて前記電力変換器が出力する電圧の指令を生成し、
前記制御モード設定回路は、少なくとも、前記電力変換器が出力する電圧の指令と前記交流電圧とに基づいて前記制御モードを生成し、
前記変調信号生成回路は、少なくとも、前記制御モード信号と前記電力変換器が出力する電圧の指令と前記交流電圧および前記第1と第2の直流電圧とに基づいて前記変調信号を生成し、
前記パルス幅変調回路は、少なくとも、前記変調信号と前記キャリア信号とに基づいて前記パルス幅変調された信号を生成し、
前記パルス分配回路は、少なくとも、前記制御モード信号と前記パルス幅変調された信号とに基づいて前記第1と第2のスイッチング素子および前記第1から第4のスイッチ素子のオンオフを制御するための制御信号を生成する、
ことを特徴とする電力変換装置。 - N(Nは4以上の整数)個の入力端子と、
第1と第2の出力端子と、
前記N個の入力端子それぞれと前記第1の出力端子との間に接続されるN個のアームと、
を有し、前記N個の入力端子から入力される電圧を用いて前記第1と第2の出力端子の間に交流電圧を出力する電力変換器を備え、
前記電力変換器は、前記N個のアームのうちから選択した2つのアームを交互にオンオフさせる制御モードで動作し、
前記電力変換器は、異なるアームの組み合わせによる前記制御モードを2以上含み、
前記電力変換器は、その動作を一の制御モードから他の制御モードに切り替えるとき、その切り替え前後において少なくとも1つの共通するアームが双方向に導通可能な状態を継続するタイミングで、前記制御モードの切替えを行うことを特徴とする電力変換装置。 - 前記N個の入力端子のうち1の入力端子は前記第2の出力端子に接続されていることを特徴とする請求項14に記載の電力変換装置。
- 前記N個のアームのうちの1つのアームは、前記第1と第2の出力端子の間に接続されており、
このアームは、双方向の導通を制御可能な双方向スイッチを含み、
前記N個のアームのうち交流電圧を入力するアームは、双方向の導通を制御可能な双方向スイッチを含み、
前記N個のアームのうち直流電圧を入力するアームは、入力端子から第1の交流端子に向かう方向の導通を制御可能なスイッチ素子を含んでいる、
ことを特徴とする請求項15に記載の電力変換装置。
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