JP5850182B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、交流電源の電圧が変動しても、安定した電圧を負荷に供給することができる電力変換装置に関する。
図18は、特許文献1に開示されている電力変換装置の一形態を説明するための図である。この電力変換装置は、交流電源の電圧を一旦直流電圧に変換し、変換した直流電圧を再度所定の交流電圧に変換して負荷に供給する。図において、1は単相の交流電源、2はコンデンサ、3は直流電源回路、4はインバータ回路、5はフィルタ回路、6は負荷である。交流電源1は、交流電圧を出力する端子として、電源端子Rと電源端子Sを備えている。以下では、電源端子Rを端子Rといい、電源端子Sを端子Sという。コンデンサ2は、交流電源1の端子Rと端子Sの間に接続されている。
直流電源回路3は、コンデンサCp,Cnとスイッチング素子Qp,QnおよびリアクトルLrとからなる。コンデンサCp,Cnは直列に接続されている。コンデンサCp,Cnの接続点は、交流電源1の端子Sに接続されるとともに、直流電源回路3の中性点端子Oに接続される。スイッチング素子Qp,Qnは直列に接続されている。スイッチング素子Qp,Qnの直列回路は、コンデンサCp,Cnの直列回路に並列に接続される。リアクトルLrは、交流電源1の端子Rとスイッチング素子Qp,Qnの接続点との間に接続される。
コンデンサCp,Cnは、スイッチング素子Qp,Qnがオンオフすることにより、交流電源1の電圧を用いて、等しい電圧に充電される。充電されたコンデンサCp,Cnの電圧は、交流電源1から出力される交流電圧の振幅よりも高い電圧である。そして、直流電源回路3は、中性点端子Oを基準として、正側端子PからコンデンサCpの正電圧を出力し、負側端子NからコンデンサCnの負電圧を出力する。
インバータ回路4は、直列接続されたスイッチング素子Q1,Q2の直列回路と双方向スイッチBS1,BS2とで構成されている。スイッチング素子Q1,Q2には、それぞれ、ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子Q1,Q2の接続点は、インバータ回路4の一方の出力端子Uに接続されている。インバータ回路4の他方の出力端子Vは、中性点端子Oに接続されている。スイッチング素子Q1,Q2の直列回路は、直流電源回路3の正側端子Pと負側端子Nとの間に接続される。双方向スイッチBS1は、交流電源1の端子Rと出力端子Uとの間に接続される。双方向スイッチBS2は、中性点端子Oと出力端子Uとの間に接続される。
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、リアクトルLf1とコンデンサCf1とを直列接続して構成されている。フィルタ回路5は、インバータ回路4の出力端子U−V間に接続される。負荷6は、コンデンサCf1の両端に接続されている。
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。
特許文献1には、上記電力変換装置が交流電源1の電圧よりも低い所定の電圧を出力する技術が開示されている。この電力変換装置は、双方向スイッチBS1,BS2を交互にオンオフさせて、出力端子U−V間に、交流電源1の電圧よりも低い所定の電圧を出力する。また、この電力変換装置は、交流電源1の電圧よりも高い所定の電圧を出力することもできる。この電力変換装置は、スイッチング素子Q1,Q2と双方向スイッチBS1とを選択的にオンオフさせて、出力端子U−V間に、交流電源1の電圧よりも高い所定の電圧を出力する。
国際公開第2012/067167号
図18に示した電力変換装置は、2つの素子を、休止期間を挟んで交互にオンオフさせる。この休止期間は、両素子が同時にオンするのを防止するために設けられている。しかしながら、交互にオンオフする素子の組合せが切り替わるときに休止期間が存在すると、リアクトルLf1に流れている電流の経路が喪失する。リアクトルLf1に流れている電流の経路が喪失すると、リアクトルLf1の両端にサージ電圧が発生するという問題が生じる。このサージ電圧は、インバータ回路4に含まれる素子のブレークダウンや負荷の損傷の要因となる。
本発明は、このような従来技術が有している問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、インバータ回路の制御モードが切り替わるときであっても、電力変換装置の出力端子間に存在するインダクタンス成分に流れている電流の経路を確保することである。そして、インダクタンス成分に流れる電流の経路を確保することにより、インダクタンス成分の両端に発生するサージ電圧を抑制することである。
上記目的を達成するため、本発明の形態の一側面は、第1から第4の入力端子と、第1と第2の出力端子と、第1から第4の入力端子それぞれと第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、を有する電力変換器を備える電力変換装置である。この電力変換装置の電力変換器は、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する。そして、この電力変換器は、異なるアームの組み合わせによる制御モードを2以上有している。さらに、この電力変換器は、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。
本発明による電力変換装置は、制御モードの切り替えを、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にあるタイミングで行う。これにより、この電力変換装置は、電力変換器の出力端子間に存在するインダクタンス成分を流れる電流の経路を確保することができる。したがって、この電力変換装置は、電力変換器の出力端子間に存在するインダクタンス成分の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
本発明に係る電力変換装置の構成例を説明するための図である。 双方向スイッチの実施形態を説明するための図である。 制御回路の構成例を説明するためのブロック図である。 制御モードと各素子の制御信号の関係を説明するための図である。 制御モードを切替える一例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 制御モードの他の切替え例を説明するための図である。 従来技術に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。
以下、本発明の実施例について説明する。図1は、本発明に係る電力変換装置の構成例を説明するための図である。図において、1は交流電源、2はコンデンサ、30は直流電源回路、40はインバータ回路、5はフィルタ回路、6は負荷、100は制御回路である。交流電源1は、電源端子Rと電源端子Sとを有する単相交流電源である。以下では、電源端子Rを端子Rという。また、電源端子Sを端子Sという。図1に示す直流電源回路30の正側端子P、負側端子N,中性点端子Oは、それぞれ図18に示した直流電源回路3の正側端子P、負側端子N,中性点端子Oに対応する。
直流電源回路30は、正側の直流電源Psp(第1の直流電源)と負側の直流電源Psn(第2の直流電源)とを直列接続して構成される電源回路である。正側の直流電源Pspの正電圧Vpと負側の直流電源Psnの負電圧Vnの大きさは、交流電源1から出力される交流電圧の振幅よりも大きくなるように設定されている。直流電源回路30は、図18に示した直流電源回路3または同等の機能を有する回路によって実現することができる。直流電源回路30の中性点端子Oは、直流電源回路30の中間電位(ゼロ電圧Vz)を出力する端子である。交流電源1の端子Sは、直流電源回路30の中性点端子Oに接続されている。すなわち、中性点端子Oは、交流電源1および直流電源回路30の基準電位点である。
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。
インバータ回路40は、正電圧Vp,負電圧Vn,ゼロ電圧Vzおよび交流電源1の電圧Vrの4レベルの電圧を用いて、出力端子U−V間に、単相の交流電圧Vuvを出力する。出力端子U−V間に出力される交流電圧は、電圧指令Vuに基づいてパルス幅変調されたパルス状の電圧である。インバータ回路40の構成および動作は以下のとおりである。
インバータ回路40は、スイッチング素子直列回路と第1の双方向スイッチBS1と第2の双方向スイッチBS2とで構成されている。スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Q1,Q2を直列接続した回路である。スイッチング素子Q1は、逆並列に接続されるダイオードとで、第1のアームを構成している。スイッチング素子Q2は、逆並列に接続されるダイオードとで、第2のアームを構成している。第1の双方向スイッチBS1は、スイッチ素子S1,S2を逆並列接続した回路であり、第3のアームを構成している。第2の双方向スイッチBS2は、スイッチ素子S3,S4を逆並列接続した回路であり、第4のアームを構成している。
スイッチング素子Q1,Q2および第1から第4のスイッチ素子S1〜S4は、それぞれの制御信号G1,G2およびGs1〜Gs4に従って、オンオフの動作をする。
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。
スイッチング素子直列回路は、直流電源回路30の正側端子Pと負側端子Nの間に接続される。スイッチング素子Q1,Q2の直列接続点は、出力端子U(第1の出力端子)に接続される。出力端子V(第2の出力端子)は、中性点端子Oに接続される。
第1の双方向スイッチは、出力端子Uと端子Rとの間に接続される。そして、第1の双方向スイッチのスイッチ素子S1のコレクタ端子側は、端子Rに接続される。スイッチ素子S1のエミッタ端子側は、出力端子Uに接続される。また、第2の双方向スイッチは、出力端子Uと中性点端子Oとの間に接続される。そして、第2の双方向スイッチのスイッチ素子S4のコレクタ端子側は、出力端子Uに接続される。スイッチ素子S4のエミッタ端子側は、中性点端子Oに接続される。
出力端子U,Vは、フィルタ回路5を介して負荷6に接続される。フィルタ回路5は、リアクトルLf1とコンデンサCf1の直列回路で構成されている。負荷6は、コンデンサCf1の両端に接続される。
ここで、スイッチング素子Q1,Q2は、ダイオードが逆並列に接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。しかし、スイッチング素子Q1,Q2は、このような構成に限られない。スイッチング素子Q1,Q2は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)など、交流電源1の周波数に対して十分に高い周波数でオンオフ動作ができる他の半導体素子を用いて構成しても良い。
また、第1と第2の双方向スイッチは、2つの逆阻止型IGBTを逆並列に接続して構成した回路である。この双方向スイッチは、一方のスイッチ素子をオンすることによって一方向に電流を通電することができ、他方のスイッチ素子をオンすることによって他方向に電流を通電することができる。また、この双方向スイッチは、両方のスイッチ素子をオンすることによって両方向に電流を通電することができる。
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。
上記インバータ回路40の構成において、スイッチング素子Q1が導通することによって、直流電源回路30の正電圧Vpが出力端子Uに出力される。また、スイッチング素子Q1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の正電圧Vpが出力端子Uに出力される。
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は、制御回路100で生成された制御信号に基づいて、スイッチング素子Q1,Q2およびスイッチ素子S1〜S4を選択的にオンオフさせる。このオンオフ動作により、インバータ回路40は、出力端子U−V間に、電圧指令Vuに対応する電圧Vuを出力する。電圧指令Vuは、負荷6に供給されるべき交流電圧の周波数と振幅を有する電圧指令である。
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。
次に、制御回路100が各制御信号を生成する動作を説明する。制御回路100には、交流電源1の電圧Vr,直流電源回路30の正電圧Vp,直流電源回路30の負電圧Vnが入力される。交流電源1の電圧Vrは、電圧検出器301によって検出される。正電圧Vpは、電圧検出器401によって検出される。負電圧Vnは、電圧検出器402によって検出される。
制御回路100は、制御周期ごとに、入力された各電圧およびゼロ電圧Vzと電圧指令Vuとを用いて、スイッチング素子Q1,Q2およびスイッチ素子S1〜S4をオンオフさせるための制御信号G1,G2および制御信号Gs1〜Gs4を生成する。
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。
図3は、制御回路100が各制御信号を生成する動作を説明するための図である。制御回路100は、主に、電圧指令生成回路111,制御モード設定回路112,変調信号生成回路113,比較回路114,パルス分配回路115,キャリア信号生成回路116,論理反転回路117で構成されている。制御回路100を構成する各回路は、後述する制御周期ごとにそれぞれの演算動作を行う。
まず、交流電源1の電圧Vrが、電圧指令生成回路111に入力される。交流電源1の電圧Vrが所定値以上であるとき、電圧指令生成回路111は、交流電源1が健全であるとみなす。そして、電圧指令生成回路111は、交流電源1の電圧Vrに基づく電圧指令Vuを生成する。電圧指令Vuは、交流電源1の電圧Vrに同期し、負荷6の定格入力電圧と等しい振幅を有する電圧指令である。一方、交流電源1の電圧Vrが所定値未満のとき、電圧指令生成回路111は、交流電源1が停電しているとみなす。そして、電圧指令生成回路111は、所定の周波数であって負荷6の定格入力電圧と等しい振幅を有する電圧指令Vuを生成する。
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。
制御モード設定回路112は、電圧指令Vuと交流電源1の電圧Vrとを用いて、インバータ回路40の動作モードを決定する。インバータ回路40の動作モードには、第1から第4の動作モードが含まれる。第1の動作モードは、交流電源1の電圧Vrよりも高い所定の電圧を出力するモードである。第2の動作モードは、交流電源1の電圧Vrよりも低い所定の電圧を出力するモードである。第3の動作モードは、交流電源1の電圧Vrを出力するモードである。第4の動作モードは、直流電源回路30の電圧を用いて所定の電圧を出力するモードである。
次に、制御モード設定回路112は、該当する制御周期における動作を指令するための制御モード信号δを出力する。インバータ回路40の制御モード信号δには、第1の制御モード〜第7の制御モードが含まれる。
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。
変調信号生成回路113は、電圧指令Vu,交流電源1の電圧Vr,正電圧Vp,負電圧Vnおよび制御モード信号δを入力として、変調信号αを生成する。各制御モードにおける変調信号αは次式(1)〜(7)を用いて算出される(図4)。
キャリア信号生成回路116は、キャリア信号Scを生成する。本実施例では、キャリア信号Scは三角波形状としている。そして、この制御回路100の演算が行われる制御周期は、キャリア信号Scの頂点から底点までの期間とキャリア信号Scの底点から頂点までの期間とからなる。
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。
パルス分配回路115は、制御モード信号δにしたがって、スイッチング素子Q1,Q2とスイッチ素子S1〜S4の中から、第1の素子と第2の素子を選択する。また、パルス分配回路115は、PWM信号Spwmに基づいて、第1の素子の制御信号Honを生成する。制御信号Honは、PWM信号SpwmがLowからHighになってから休止期間Td後に、LowからHighになる。そして、制御信号Honは、PWM信号SpwmがHighからLowになると同時に、HighからLowになる。また、パルス分配回路115は、PWM信号Spwmに基づいて、第2の素子の制御信号Lonを生成する。制御信号Lonは、PWM信号SpwmがLowからHighになると同時に、HighからLowになる。そして、制御信号Lonは、PWM信号SpwmがHighからLowになってから休止期間Td経過後に、LowからHighになる。すなわち、制御信号Honと制御信号Lonとは、休止期間を挟んで交互にHighとLowとなる信号である。
制御信号HonがHighのとき、第1の素子はオン(導通)する。そして、制御信号HonがLowのとき、第1の素子はオフ(不導通)となる。各制御周期において、第1の素子がオンする期間は、変調信号αに基づく期間である。また、制御信号LonがHighのとき、第2の素子はオン(導通)する。そして、制御信号LonがLowのとき、第2の素子はオフ(不導通)となる。
パルス分配回路115は、また、制御モード信号δにしたがって、第1と第2の素子に選択されなった素子に対して、オン素子またはオフ素子の設定をする。そして、パルス分配回路115は、オン素子のための制御信号をHighとする。また、パルス分配回路115は、オフ素子のための制御信号をLowとする。オン素子は、その制御信号に従って、常にオン(導通)状態になる。オフ素子は、その制御信号に従って、常にオフ(不導通)の状態になる。
図4は、各制御モードにおけるスイッチング素子Q1,Q2とスイッチ素子S1〜S4の動作を示している。各素子の動作は、それぞれを制御するための制御信号G1,G2およびGs1〜Gs4で示されている。制御信号がHonと記されている素子は、その制御周期において第1の素子として選択された素子である。制御信号がLonと記されている素子は、その制御周期において第2の素子として選択された素子である。制御信号がHと記されている素子は、その制御周期においてオン素子に設定された素子である。制御信号がLと記されている素子は、その制御周期においてオフ素子に設定された素子である。
次に、各制御モードにおけるインバータ回路40の動作を説明する。
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。
第2の制御モードCM2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S2が第2の素子として選択される。そして、スイッチ素子S1がオン素子、スイッチング素子Q2とスイッチ素子S3,S4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S2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(2)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と交流電源1の電圧Vrとを用いて、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。
第3の制御モードCM3では、スイッチ素子S1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S2,S3がオン素子、スイッチング素子Q1,Q2がオフ素子に設定される。スイッチ素子S1,S4は、休止期間Tdを挟んで、交互にオンオフする。スイッチ素子S1がオンする期間は、上記(3)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、交流電源1の電圧Vr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。
第4の制御モードCM4では、スイッチ素子S2が第1の素子として選択される。また、スイッチ素子S3が第2の素子として選択される。そして、スイッチ素子S1,S4がオン素子、スイッチング素子Q1,Q2がオフ素子に設定される。スイッチ素子S2,S3は、休止期間Tdを挟んで、交互にオンオフする。スイッチ素子S2がオンする期間は、上記(4)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、交流電源1の電圧Vr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。
第5の制御モードCM5では、スイッチング素子Q2が第1の素子として選択される。また、スイッチ素子S1が第2の素子として選択される。そして、スイッチ素子S2がオン素子、スイッチング素子Q1とスイッチ素子S3,S4がオフ素子に設定される。スイッチング素子Q2とスイッチ素子S1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Q2がオンする期間は、上記(5)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、負電圧Vnと交流電源1の電圧Vrとを用いて、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。
第6の制御モードCM6では、スイッチング素子Q2が第1の素子として選択される。また、スイッチ素子S3が第2の素子として選択される。そして、スイッチ素子S4がオン素子、スイッチング素子Q1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Q2とスイッチ素子S3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Q2がオンする期間は、上記(6)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、負電圧Vn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。
第7の制御モードCM7では、スイッチ素子S1,S2がオン素子に設定される。また、スイッチング素子Q1,Q2とスイッチ素子S3,S4がオフ素子に設定される。このようにオン素子とオフ素子を設定することにより、インバータ回路40は、交流電源1の電圧Vrを、出力端子U−V間に出力することができる。
そして、インバータ回路40は、第1の動作モードのとき、第2の制御モードCM2と第5の制御モードCM5で動作する。すなわち、インバータ回路40は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のとき第2の制御モードCM2で動作し、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のとき第5の制御モードCM5で動作する。また、インバータ回路40は、第2の動作モードのとき、第3の制御モードCM3と第4の制御モードCM4で動作する。すなわち、インバータ回路40は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のとき第3の制御モードCM3で動作し、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のとき第4の制御モードCM4で動作する。また、インバータ回路40は、第3の動作モードのとき、第7の制御モードCM7で動作する。また、インバータ回路40は、第4の動作モードのとき、第1の制御モードCM1と第6の制御モードCM6で動作する。すなわち、インバータ回路40は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のとき第1の制御モードCM1で動作し、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のとき第6の制御モードCM6で動作する。
ここで、インバータ回路40は、各動作モード内で、制御モードの切り替えを行う。また、インバータ回路40が動作モードを切り替えるとき、制御モードの切替えが生じる。そして、制御モードの切替えは、双方向に導通可能な共通アームが存在するタイミングで行われる。
まず、インバータ回路40が、第1の動作モードにおいて、第2の制御モードCM2と第5の制御モードCM5とを相互に切替える動作を、図5を参照して説明する。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第2の制御モードCM2から第5の制御モードCM5に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第5の制御モードCM5から第2の制御モードCM2に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
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Q1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S2が、制御信号Lonに従ってオンオフ動作をする。
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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第2の制御モードCM2から第5の制御モードCM5に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第5の制御モードCM5から第2の制御モードCM2に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第1の動作モードにおいて、第2の制御モードCM2と第5の制御モードCM5の間の制御モード切替えをキャリア信号Scの頂点で行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第1の動作モード内の制御モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
次に、インバータ回路40が、第2の動作モードにおいて、第3の制御モードCM3と第4の制御モードCM4とを相互に切替える動作を、図6を参照して説明する。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第3の制御モードCM3から第4の制御モードCM4に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第4の制御モードCM4から第3の制御モードCM3に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S3,S4はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第3の制御モードCM3から第4の制御モードCM4に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S3,S4はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第4の制御モードCM4から第3の制御モードCM3に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第2の動作モードにおいて、第3の制御モードCM3と第4の制御モードCM4の間の制御モード切替えをキャリア信号Scの頂点で行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第2の動作モード内の制御モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
次に、インバータ回路40が、第4の動作モードにおいて、第1の制御モードCM1と第6の制御モードCM6とを相互に切替える動作を、図7を参照して説明する。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第1の制御モードCM1から第6の制御モードCM6に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第6の制御モードCM6から第1の制御モードCM1に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
第1の制御モードCM1では、スイッチ素子S3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S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチング素子Q1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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S3,S4はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第1の制御モードCM1から第6の制御モードCM6に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S3,S4はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第6の制御モードCM6から第1の制御モードCM1に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第4の動作モードにおいて、第1の制御モードCM1と第6の制御モードCM6との間の制御モード切替えをキャリア信号Scの頂点で行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第4の動作モード内の制御モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
次に、インバータ回路40が、第1の動作モードと第3の動作モードとを相互に切替える動作を、図8と図9とを参照して説明する。図8は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第2の制御モードCM2から第7の制御モードCM7に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第7の制御モードCM7から第2の制御モードCM2に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
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、スイッチング素子Q1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S2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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第2の制御モードCM2から第7の制御モードCM7に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第7の制御モードCM7から第2の制御モードCM2に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。
図9は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第5の制御モードCM5から第7の制御モードCM7に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第7の制御モードCM7から第5の制御モードCM5に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第5の制御モードCM5から第7の制御モードCM7に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第7の制御モードCM7から第5の制御モードCM5に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第1の動作モードと第3の動作モードの間の動作モード切替えを、キャリア信号Scの頂点で行う制御モードの切替えによって行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第1の動モードと第3の動作モードの間の動作モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
次に、インバータ回路40が、第2の動作モードと第3の動作モードとを相互に切替える動作を、図10と図11とを参照して説明する。図10は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第3の制御モードCM3から第7の制御モードCM7に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第7の制御モードCM7から第3の制御モードCM3に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが底点となるタイミングである。
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S4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。
したがって、タイミングt1において、スイッチ素子S3はオフするが、スイッチ素子S1,S2がオン状態にある。そして、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S1,S2がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第3の制御モードCM3から第7の制御モードCM7に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第7の制御モードCM7から第3の制御モードCM3に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。
図11は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第4の制御モードCM4から第7の制御モードCM7に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第7の制御モードCM7から第4の制御モードCM4に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが底点となるタイミングである。
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、スイッチ素子S2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。
したがって、タイミングt1において、スイッチ素子S4はオフするが、スイッチ素子S1,S2がオン状態にある。そして、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第4の制御モードCM4から第7の制御モードCM7に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S1,S2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第7の制御モードCM7から第4の制御モードCM4に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S1,S2のいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第2の動作モードと第3の動作モードとの間の動作モード切替えを、キャリア信号Scの底点で行う制御モード切替えによって行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第2の動作モードと第3の動作モードとの間の動作モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
次に、インバータ回路40が、第1の動作モードと第4の動作モードとを相互に切替える動作を、図12と図13とを参照して説明する。図12は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第1の制御モードCM1から第2の制御モードCM2に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第2の制御モードCM2から第1の制御モードCM1に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが底点となるタイミングである。
第1の制御モードCM1では、スイッチ素子S3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S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S4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。
したがって、タイミングt1において、スイッチ素子S3はオフする。しかし、タイミングt1の前後において、スイッチング素子Q1がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第1の制御モードCM1から第2の制御モードCM2に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチング素子Q1または逆並列に接続されているダイオードのいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチング素子Q1はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第2の制御モードCM2から第1の制御モードCM1に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチング素子Q1または逆並列に接続されているダイオードのいずれかを流れ続ける。
図13は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第5の制御モードCM5から第6の制御モードCM6に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第6の制御モードCM6から第5の制御モードCM5に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが底点となるタイミングである。
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。
したがって、タイミングt1において、スイッチ素子S2はオフする。しかし、タイミングt1の前後において、スイッチング素子Q2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第5の制御モードCM5から第6の制御モードCM6に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチング素子Q2または逆並列に接続されているダイオードのいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチング素子Q2はオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第6の制御モードCM6から第5の制御モードCM5に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチング素子Q2または逆並列に接続されているダイオードのいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第1の動作モードと第4の動作モードの間の動作モード切替えを、キャリア信号Scの底点で行う制御モードの切替えによって行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第1の動作モードと第4の動作モードの間の動作モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
次に、インバータ回路40が、第2の動作モードと第4の動作モードとを相互に切替える動作を、図14から図17を参照して説明する。図14は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz以上のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第1の制御モードCM1から第3の制御モードCM3に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第3の制御モードCM3から第1の制御モードCM1に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
第1の制御モードCM1では、スイッチ素子S3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S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチ素子S4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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第1の制御モードCM1から第3の制御モードCM3に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第3の制御モードCM3から第1の制御モードCM1に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。
図15は、電圧指令Vuがゼロ電圧Vz未満のときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40は、タイミングt1において、その動作を第4の制御モードCM4から第6の制御モードCM6に切り替える。また、インバータ回路40は、タイミングt2において、その動作を第6の制御モードCM6から第4の制御モードCM4に切り替える。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第4の制御モードCM4から第6の制御モードCM6に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第6の制御モードCM6から第4の制御モードCM4に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。
図16は、電圧指令Vuが正極性から負極性に切り替わるときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40の動作は、タイミングt1で、第3の制御モードCM3から第6の制御モードCM6に切り替わる。また、インバータ回路40の動作は、タイミングt2で、第6の制御モードCM6から第3の制御モードCM3に切り替わる。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第3の制御モードCM3から第6の制御モードCM6に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。したがって、インバータ回路40の動作が第6の制御モードCM6から第3の制御モードCM3に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。
図17は、電圧指令Vuが正極性から負極性に切り替わるときの、インバータ回路40の動作を示している。インバータ回路40の動作は、タイミングt1で、第1の制御モードCM1から第4の制御モードCM4に切り替わる。また、インバータ回路40の動作は、タイミングt2で、第4の制御モードCM4から第1の制御モードCM1に切り替わる。タイミングt1,t2は、キャリア信号Scが頂点となるタイミングである。
第1の制御モードCM1では、スイッチ素子S3がオン状態にあり、スイッチング素子Q2とスイッチ素子S1,S2がオフ状態にある。そして、スイッチング素子Q1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。
したがって、タイミングt1の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第1の制御モードCM1から第4の制御モードCM4に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。また、タイミングt2の前後において、スイッチ素子S3,S4がオン状態を継続する。それゆえ、インバータ回路40の動作が第4の制御モードCM4から第1の制御モードCM1に切り替わっても、インバータ回路40と負荷6との間を流れる電流は、スイッチ素子S3,S4のいずれかを流れ続ける。
すなわち、インバータ回路40は、第2の動作モードと第4の動作モードの間の動作モード切替えを、キャリア信号Scの頂点で行う制御モードの切替えによって行う。この制御モード切替え動作により、インバータ回路40は、リアクトルLf1に流れる電流の経路を確保することができる。したがって、インバータ回路40は、第2の動作モードと第4の動作モードの間の動作モード切替えにおいて、リアクトルLf1の両端に発生するサージ電圧を抑制することができる。
なお、上記では、本発明の説明を、4つのアームを備える電力変換器を例にとって行っているが、本発明は、5以上のアームを備える電力変換器に対しても適用することができる。
本発明は、瞬時電圧低下補償装置または無停電電源装置など、交流電源の電圧変動および交流電源の停電が発生しても、負荷に安定な電圧を供給するための装置に適用することができる。
1 交流電源
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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、
    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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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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