JP6895067B2

JP6895067B2 - ３レベルチョッパ及びその制御回路

Info

Publication number: JP6895067B2
Application number: JP2017141676A
Authority: JP
Inventors: 翔直佐賀
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: JP2019022408A

Description

本発明は、３レベルチョッパの出力電圧を分担する二個のコンデンサの電圧を均等化する技術に関する。

図４は、特許文献１に記載された直流電源システムの主回路構成図である。
この直流電源システムは、半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子という）の動作により、直流電源電圧を昇圧して中性点を持つ直流電圧に変換するものであり、いわゆる３レベルチョッパによって構成されている。

この３レベルチョッパは、直流電源ＢＡＴと、その正負極間にリアクトルＬ_１，Ｌ_２を介して接続されたスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の直列回路と、この直列回路の両端にスイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４をそれぞれ介して互いに直列に接続されたコンデンサＣ_１，Ｃ_２とを備え、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の直列回路の両端に負荷ＬＤが接続されている。
なお、Ｄ_１〜Ｄ_４はスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、Ｐは正側端子、Ｎは負側端子であり、Ｍはスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の直列接続点に接続されたコンデンサＣ_１，Ｃ_２の直列接続点（中性点）である。

以下、この回路の動作を簡単に説明する。
まず、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２を共にオンするとリアクトルＬ_１，Ｌ_２にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子Ｓ_１をオンしたままでスイッチング素子Ｓ_２をオフすると、リアクトルＬ_１，Ｌ_２の蓄積エネルギーによりスイッチング素子Ｓ_１と還流ダイオードＤ_４とを介してコンデンサＣ_２が充電される。次いで、スイッチング素子Ｓ_１をオフしてスイッチング素子Ｓ_２をオンすると、リアクトルＬ_１，Ｌ_２の蓄積エネルギーにより還流ダイオードＤ_３とスイッチング素子Ｓ_２とを介してコンデンサＣ_１が充電される。

上記の動作を繰り返すことにより、端子Ｐ，Ｎ間の出力電圧Ｖ_ｐｎは直流電源電圧Ｖ_ｂａｔよりも高い電圧に昇圧される。ここで、出力電圧Ｖ_ｐｎは３つのレベル（Ｖ_ｄｃｐ、Ｖ_ｄｃｎ、及び、Ｖ_ｄｃｐ＋Ｖ_ｄｃｎ）をとり得るため、３レベルチョッパと呼ばれている。

この種の３レベルチョッパにおいて、スイッチング素子の故障や回路定数のばらつき等に起因して、出力側の二個のコンデンサの電圧に偏りが生じると、スイッチング素子やコンデンサが過電圧によって破壊されることがある。
このため、特許文献１では、図５の制御回路を用いて電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを等しくする制御を行っている。

図５は、スイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４を駆動するための制御回路を示している。
図５において、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎが直流電圧指令値（出力電圧指令値）Ｖ_ｐｎ ^＊の１／２とそれぞれ等しくなるように電圧調節器ＡＶＲ_１，ＡＶＲ_２が動作し、これらの出力が切替スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２を介して同一構成のＰＷＭ回路ＰＷＭ_Ａ，ＰＷＭ_Ｂに加えられている。

ＰＷＭ回路ＰＷＭ_Ａ，ＰＷＭ_Ｂは、コンパレータＣｍｐ、タイマＴＭ_１，ＴＭ_２、論理回路１１〜１５、立下り検出回路１６，１７、ＤＱフリップフロップ１８を備え、ＤＱフリップフロップ１８の出力が、それぞれの入力側の切替スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２に対する切替信号１，２となる。
パルス出力判定回路ＰＪは、電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの大小関係に応じて、ＰＷＭ回路ＰＷＭ_Ａ，ＰＷＭ_Ｂの出力信号Ｓ_１’〜Ｓ_４’をスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４の駆動信号（ゲート信号）として選択し、出力する。

上記制御回路では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの大小関係に応じてスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン時間を調節している。具体的には、電圧が低い方のコンデンサの充電量を多くするように、当該コンデンサに直列接続されたスイッチング素子のオン時間を長くして図４の電流Ｉ_ｃｈを増減させ、電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化する制御を行っている。
なお、スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４は、コンデンサＣ_１，Ｃ_２のエネルギーを直流電源側に回生して電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを所定値に維持するように機能するものである。

特開２０１３−５６４９号公報（段落［００１５］〜［００２３］、図１，図３〜図５）

特許文献１に記載された技術において、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン時間が長くなり過ぎると素子の温度が設計値以上になり、結果的に、スイッチング素子の破壊を防止するための保護動作が働いて装置の運転が停止してしまう場合がある。
そこで、本発明の解決課題は、出力側の直列コンデンサの電圧を均等化しつつ、スイッチング素子の過熱を防止して安定的に運転を継続可能とした３レベルチョッパ及びその制御回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る３レベルチョッパは、
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。

請求項２に係る３レベルチョッパは、
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。

請求項３に係る３レベルチョッパは、請求項１または２に記載した３レベルチョッパにおいて、前記バランス補正量調整部は、前記第１，第２のコンデンサの電圧の差分の絶対値が電圧差分閾値未満である時に前記第１，第２のスイッチング素子に対するバランス補正量を０にすることを特徴とする。

請求項４に係る３レベルチョッパは、請求項１〜３の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、前記直流電源の電圧を昇圧して前記負荷に供給することを特徴とする。

請求項５に係る３レベルチョッパは、請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、前記第１のダイオードに第３のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第２のダイオードに第４のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする。

請求項６に係る３レベルチョッパは、請求項５に記載した３レベルチョッパにおいて、前記第３，第４のスイッチング素子をオンさせて前記第１，第２のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする。

請求項７に係る３レベルチョッパの制御回路は、
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。

請求項８に係る３レベルチョッパの制御回路は、
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子のオン時間を必要以上に長くせずに、過熱による破壊を防止しつつ直列コンデンサの電圧を均等にして装置の安定した運転を継続することができる。

本発明の第１実施形態に係る制御回路の構成図である。本発明の第２実施形態に係る制御回路の構成図である。本発明の各実施形態におけるスイッチング素子の温度検出値とバランス補正量との関係を示す図である。特許文献１に記載された直流電源システムの主回路構成図である。特許文献１に記載された制御回路の構成図である。図５の動作を示す波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る制御回路の構成図である。この制御回路は、前述した図４の３レベルチョッパを対象としてスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４の駆動信号を生成するものである。

図１において、ＰＷＭ指令生成部１００は、直流電圧指令値Ｖ_ｐｎ ^＊及び直流電圧検出値Ｖ_ｐｎと直流電流検出値（図４のバッテリーＢＡＴから流入する電流の検出値）Ｉ_ｃｈとに基づいて、上記Ｖ_ｐｎをＶ_ｐｎ ^＊に制御するためのＰＷＭ指令（電圧指令）を生成する。
このＰＷＭ指令は、加減算器１０１，１０２により、後述するローパスフィルタ２１１，２１３の出力であるバランス補正量とそれぞれ加減算され、ＰＷＭ回路ＰＷＭ_１，ＰＷＭ_２に入力される。ＰＷＭ回路ＰＷＭ_１，ＰＷＭ_２では、入力された各指令とキャリア１，２とをそれぞれ比較することにより、図４のスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_３用、及び、スイッチング素子Ｓ_２，Ｓ_４用の駆動信号を生成する。

バランス補正量調整部２００Ａは、ＰＷＭ指令にそれぞれ加減算するバランス補正量を、バランス補正量生成部３００の出力または「０」に制御する。このバランス補正量調整部２００Ａの構成及び機能については後述する。
バランス補正量生成部３００は、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを等しくするためのバランス補正量を生成し、バランス補正量調整部２００Ａに出力する。

次に、バランス補正量調整部２００Ａについて詳細に説明する。
このバランス補正量調整部２００Ａは、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎ、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の温度検出値Ｔ_１，Ｔ_２及び温度閾値Ｔ_１ｔ，Ｔ_２ｔに基づいて、バランス補正量生成部３００から出力されたバランス補正量または「０」を切り替えて出力する機能を備えている。

すなわち、スイッチング素子Ｓ_１の温度検出値Ｔ_１と温度閾値Ｔ_１ｔとがコンパレータ２０３により比較され、その出力はアンド回路２０８に入力されている。また、電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎがコンパレータ２０４により比較され、その出力はアンド回路２０８に入力されると共に、否定回路２０７を介してアンド回路２０９に入力されている。

更に、電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの差分が加減算器２０１により求められ、その絶対値が絶対値演算器２０２により演算される。絶対値演算器２０２の出力と電圧差分閾値ΔＶ_ｔとはコンパレータ２０５により比較され、その出力はアンド回路２０８，２０９に入力されている。
また、スイッチング素子Ｓ_２の温度検出値Ｔ_２と温度閾値Ｔ_２ｔとがコンパレータ２０６により比較され、その出力はアンド回路２０９に入力されている。

アンド回路２０８の出力は、切替信号２０８Ｓとして切替スイッチ２１０に加えられ、アンド回路２０９の出力は、切替信号２０９Ｓとして切替スイッチ２１２に加えられている。
切替スイッチ２１０，２１２の入力端子Ｔ（Ｔｒｕｅ）にはそれぞれ「０」が入力され、入力端子Ｆ（Ｆａｌｓｅ）には、前記バランス補正量生成部３００により生成されたバランス補正量がそれぞれ入力されている。

ここで、切替スイッチ２１０，２１２は、切替信号２０８Ｓ，２０９Ｓの論理が「Ｈ（Ｈｉｇｈ）」レベルである時に入力端子Ｔ側に接続され、「Ｌ（Ｌｏｗ）」レベルである時に入力端子Ｆ側に接続される。
切替スイッチ２１０，２１２の出力は、それぞれ第１，第２のローパスフィルタ２１１，２１３を介して、加減算器１０１，１０２に図示の符号で入力されている。

次に、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの大小関係、及び、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の温度検出値Ｔ_１，Ｔ_２に応じた第１実施形態の動作を、図３（ａ），（ｂ）を参照しつつ説明する。

（１）Ｖ_ｄｃｐ＞Ｖ_ｄｃｎであり、かつ、Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値が電圧差分閾値ΔＶ_ｔより小さい場合
この場合には、図４におけるコンデンサＣ_１の電圧が加わるスイッチング素子Ｓ_１を電圧Ｖ_ｄｃｐから保護する必要がある。

そのためには、コンデンサＣ_２への充電量を多くして電圧Ｖ_ｄｃｎを高くするように、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間を長くするためのバランス補正量を、加減算器１０１を介してＰＷＭ指令に加算すれば良いが、本実施形態では、図３（ａ）に実線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_１の温度検出値Ｔ_１が閾値Ｔ_１ｔ以上になったらバランス補正量を０にする。
一方、コンデンサＣ_１への充電量を少なくして電圧Ｖ_ｄｃｐの上昇を抑制するために、図３（ａ）に破線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_２のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子Ｓ_１の温度に関わらず一定値とする。

図１の回路では、温度検出値Ｔ_１が閾値Ｔ_１ｔを超えない期間はアンド回路２０８から出力される切替信号２０８Ｓが「Ｌ」であるため、バランス補正量が切替スイッチ２１０の入力端子Ｆ及びローパスフィルタ２１１を介して加減算器１０１に入力される。また、Ｔ_１がＴ_１ｔ以上になってコンパレータ２０３の出力が「Ｈ」になり、他のコンパレータ２０４，２０５の出力も「Ｈ」である場合には、切替信号２０８Ｓが「Ｈ」となり、ローパスフィルタ２１１の入力が０になってスイッチング素子Ｓ_１に対するバランス補正量も０になる。

なお、スイッチング素子Ｓ_２に対して一定値のバランス補正量を与えるバランス調整動作は、Ｖ_ｄｃｐ＞Ｖ_ｄｃｎの場合にはアンド回路２０９から出力される切替信号が「Ｌ」になり、バランス補正量が切替スイッチ２１２の入力端子Ｆ及びローパスフィルタ２１３を介して加減算器１０２に入力されることで実現される。

上記の動作により、スイッチング素子Ｓ_１の温度が高くなると、そのオン時間を変えずにスイッチング素子Ｓ_２のオン時間のみを短くしてコンデンサＣ_１の電圧Ｖ_ｄｃｐの上昇を抑制することができる。このため、スイッチング素子Ｓ_１の損失を低減しつつ電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化し、装置の運転を継続させることが可能になる。

（２）Ｖ_ｄｃｐ＜Ｖ_ｄｃｎであり、かつ、Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値が電圧差分閾値ΔＶ_ｔより小さい場合
この場合には、コンデンサＣ_２の電圧が加わるスイッチング素子Ｓ_２を電圧Ｖ_ｄｃｎから保護する必要がある。

そのためには、コンデンサＣ_１への充電量を多くして電圧Ｖ_ｄｃｐを高くするように、スイッチング素子Ｓ_２のオン時間を長くするためのバランス補正量を、加減算器１０２を介してＰＷＭ指令に加算すれば良いが、本実施形態では、図３（ｂ）に破線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_２の温度検出値Ｔ_２が閾値Ｔ_２ｔ以上になったらバランス補正量を０にする。
一方、コンデンサＣ_２への充電量を少なくして電圧Ｖ_ｄｃｎの上昇を抑制するために、図３（ｂ）に実線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子Ｓ_２の温度に関わらず一定値とする。

図１の回路では、温度検出値Ｔ_２が閾値Ｔ_２ｔを超えない期間はアンド回路２０９から出力される切替信号２０９Ｓが「Ｌ」であるため、バランス補正量が切替スイッチ２１２の入力端子Ｆ及びローパスフィルタ２１３を介して加減算器１０２に入力される。また、温度検出値Ｔ_２が閾値Ｔ_２ｔ以上になってコンパレータ２０６の出力が「Ｈ」になると共に、コンパレータ２０５及び否定回路２０７の出力も「Ｈ」である場合には、切替信号２０９Ｓが「Ｈ」となり、ローパスフィルタ２１３の入力が０になってスイッチング素子Ｓ_２に対するバランス補正量も０になる。

なお、スイッチング素子Ｓ_１に対して一定のバランス補正量を与えるバランス調整動作は、Ｖ_ｄｃｐ＜Ｖ_ｄｃｎの場合にはアンド回路２０８の出力が「Ｌ」になり、バランス補正量が切替スイッチ２１０の入力端子Ｆ及びローパスフィルタ２１１を介して加減算器１０１に入力されることで実現される。

上記の動作により、スイッチング素子Ｓ_２の温度が高くなると、そのオン時間を変えずにスイッチング素子Ｓ_１のオン時間のみを短くすることによってコンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｄｃｎの上昇を抑制することができる。このため、スイッチング素子Ｓ_２の損失を低減しつつ電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化し、装置の運転を継続させることが可能になる。

（３）Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値が電圧差分閾値ΔＶ_ｔ以上である場合
この場合には、過電圧状態にある側のコンデンサやスイッチング素子が耐圧を超える恐れがあるため、スイッチング素子の温度に関わらず、電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化する必要がある。

Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値がΔＶ_ｔ以上であると、コンパレータ２０５の出力が「Ｌ」となり、アンド回路２０８，２０９から出力される切替信号２０８Ｓ，２０９Ｓも「Ｌ」となる。従って、切替スイッチ２１０，２１２は何れも入力端子Ｆ側に切り替わり、バランス補正量が切替スイッチ２１０，２１２及びローパスフィルタ２１１，２１３を介して加減算器１０１，１０２にそれぞれ入力されることにより、電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化する制御が実行されることになる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の温度に応じて一方のスイッチング素子に対するバランス補正量を徐々に変化させるようにしたものである。
図２は、第２実施形態に係る制御回路の構成図であり、図１と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。

図２に示すバランス補正量調整部２００Ｂにおいて、コンパレータ２０４の出力信号はアンド回路２１４に入力されると共に、否定回路２０７を介してアンド回路２１５に入力されている。また、コンパレータ２０５の出力信号はアンド回路２１４，２１５に入力されている。

スイッチング素子Ｓ_１の温度検出値Ｔ_１と閾値Ｔ_１ｔとの差分が加減算器２１６により演算され、その差分とゲインＧ_１とが乗算器２１７により乗算される。乗算器２１７の出力は、下限値が０であるリミッタ２１８を介して切替スイッチ２１９の入力端子Ｔに加えられ、他方の入力端子Ｆには０が設定されている。切替スイッチ２１９の出力は、バランス補正量生成部３００からのバランス補正量と共に図示の符号で加減算器２２０に入力され、その出力はスイッチング素子Ｓ_１側の加減算器１０１に加えられている。

同様にして、スイッチング素子Ｓ_２の温度検出値Ｔ_２と閾値Ｔ_２ｔとの差分が加減算器２２１により演算され、その差分とゲインＧ_２とが乗算器２２２により乗算される。乗算器２２２の出力は、下限値が０であるリミッタ２２３を介して切替スイッチ２２４の入力端子Ｔに加えられ、他方の入力端子Ｆには０が設定されている。切替スイッチ２２４の出力は、バランス補正量生成部３００からのバランス補正量と共に図示の符号で加減算器２２５に入力され、その出力はスイッチング素子Ｓ_２側の加減算器１０２に加えられている。
なお、上記のゲインＧ_１，Ｇ_２は大きさが等しく、正負が逆になっている。

次いで、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの大小関係、及び、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の温度検出値Ｔ_１，Ｔ_２に応じた第２実施形態の動作を、図３（ｃ），（ｄ）を参照しつつ説明する。

（1a）Ｖ_ｄｃｐ＞Ｖ_ｄｃｎであり、かつ、Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値が電圧差分閾値ΔＶ_ｔより小さい場合
この場合には、コンデンサＣ_１の電圧が加わるスイッチング素子Ｓ_１を電圧Ｖ_ｄｃｐから保護する必要がある。

そのためには、コンデンサＣ_２への充電量を多くして電圧Ｖ_ｄｃｎを高くするように、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間を長くするためのバランス補正量を、加減算器１０１を介してＰＷＭ指令に加算すれば良いが、本実施形態では、図３（ｃ）に実線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_１の温度検出値Ｔ_１が閾値Ｔ_１ｔより小さい期間はバランス補正量を一定とし、閾値Ｔ_１ｔ以上の期間では温度検出値Ｔ_１が高くなるにつれてバランス補正量を直線的に減少させ、最終的に０にする。
一方、コンデンサＣ_１への充電量を少なくして電圧Ｖ_ｄｃｐの上昇を抑制するために、図３（ｃ）に破線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_２のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子Ｓ_１の温度に関わらず一定値とする。

図２の回路では、温度検出値Ｔ_１が閾値Ｔ_１ｔより小さい期間はリミッタ２１８の出力が０に制限されるため、切替スイッチ２１９の入力端子Ｔを介して加減算器２２０に入力される信号は０である。ここで、切替スイッチ２１９は、アンド回路２１４から出力される切替信号２１４Ｓにより入力端子Ｔ側に切り替わっている。
よって、バランス補正量生成部３００により生成されたバランス補正量は、調整されることなく加減算器１０１に入力される。

しかし、温度検出値Ｔ_１が閾値Ｔ_１ｔ以上になると、その上昇分に応じて温度偏差が増加し、乗算器２１７によるゲインＧ_１との乗算結果も増加するので、リミッタ２１８及び切替スイッチ２１９を介して加減算器２２０に入力される調整量も次第に増加する。これにより、加減算器２２０から出力されて加減算器１０１に入力されるバランス補正量は、図３（ｃ）の実線のように変化する。

なお、スイッチング素子Ｓ_２に対して一定のバランス補正量を与えるバランス調整動作は、Ｖ_ｄｃｐ＞Ｖ_ｄｃｎの場合にはアンド回路２１５から出力される切替信号２１５Ｓが「Ｌ」になって切替スイッチ２２４には０が入力されるので、バランス補正量がそのまま加減算器２２５を介して加減算器１０２に入力されることで実現される。

上記の動作により、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間を変えずにスイッチング素子Ｓ_２のオン時間のみを短くすることで、電圧Ｖ_ｄｃｐの上昇を抑制することができる。このため、スイッチング素子Ｓ_１の損失を低減しつつ電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化し、装置の運転を継続させることが可能になる。

（2a）Ｖ_ｄｃｐ＜Ｖ_ｄｃｎであり、かつ、Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値が電圧差分閾値ΔＶ_ｔより小さい場合
この場合には、コンデンサＣ_２の電圧が加わるスイッチング素子Ｓ_２を電圧Ｖ_ｄｃｎから保護する必要がある。

そのためには、コンデンサＣ_１への充電量を多くして電圧Ｖ_ｄｃｐを高くするように、スイッチング素子Ｓ_２のオン時間を長くするためのバランス補正量を、加減算器１０２を介してＰＷＭ指令に加算すれば良いが、本実施形態では、図３（ｄ）に破線で示すごとく、スイッチング素子Ｓ_２の温度検出値Ｔ_２が閾値Ｔ_２ｔより小さい期間はバランス補正量を一定とし、閾値Ｔ_２ｔ以上の期間では温度検出値Ｔ_２が高くなるにつれてバランス補正量を直線的に増加させ（負方向に減少させ）、最終的に０にする。
一方、コンデンサＣ_２への充電量を少なくして電圧Ｖ_ｄｃｎの上昇を抑制するために、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子Ｓ_２の温度に関わらず一定値とする。

図２の回路では、温度検出値Ｔ_２が閾値Ｔ_２ｔより小さい期間はリミッタ２２３の出力が０に制限されるため、切替スイッチ２２４の入力端子Ｔを介して加減算器２２５に入力される信号は０である。なお、切替スイッチ２２４は、アンド回路２１５から出力される切替信号２１５Ｓにより入力端子Ｔ側に切り替わっている。
よって、バランス補正量生成部３００により生成されたバランス補正量は、調整されることなく加減算器１０２に入力される。

しかし、温度検出値Ｔ_２が閾値Ｔ_２ｔ以上になると、その上昇分に応じて温度偏差が増加し、乗算器２２２によるゲインＧ_２との乗算結果も増加するので、リミッタ２２２及び切替スイッチ２２４を介して加減算器２２５に入力される調整量も徐々に増加する。これにより、加減算器２２５から出力されて加減算器１０２に入力されるバランス補正量は、図３（ｄ）の破線のように変化する。

なお、スイッチング素子Ｓ_１に対して一定のバランス補正量を与えるバランス調整動作は、Ｖ_ｄｃｐ＜Ｖ_ｄｃｎの場合にはアンド回路２１４から出力される切替信号２１４Ｓが「Ｌ」になって切替スイッチ２１９には０が入力されるので、バランス補正量がそのまま加減算器２２０を介して加減算器１０１に入力されることで実現される。

上記の動作により、スイッチング素子Ｓ_２のオン時間を変えずにスイッチング素子Ｓ_１のオン時間のみを短くすることで、電圧Ｖ_ｄｃｎの上昇を抑制することができる。このため、スイッチング素子Ｓ_２の損失を低減しつつ電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化し、装置の運転を継続させることが可能になる。

（3a）Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値が電圧差分閾値ΔＶ_ｔ以上である場合
この場合には、過電圧状態にある側のコンデンサやスイッチング素子が耐圧を超える恐れがあるため、スイッチング素子の温度に関わらず、電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化する必要がある。

Ｖ_ｄｃｐとＶ_ｄｃｎとの差分の絶対値がΔＶ_ｔ以上であると、コンパレータ２０５の出力が「Ｌ」となり、アンド回路２１４，２１５から出力される切替信号２１４Ｓ，２１５Ｓも「Ｌ」となる。従って、切替スイッチ２１０，２１２は何れも入力端子Ｆ側に切り替わって加減算器２２０，２２５に入力される調整量は０になる。
よって、バランス調整量はそのまま切替スイッチ２１０，２１２を介して加減算器１０１，１０２にそれぞれ入力されることにより、電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化する制御が実行される。

以上説明したように、第１実施形態、第２実施形態においては、従来技術のように出力側のコンデンサＣ_１，Ｃ_２をそれぞれ充電するスイッチング素子Ｓ_２，Ｓ_１のオン時間を長くして電圧を均等化する方法によらないため、スイッチング素子が設計値以上に過熱される恐れがなく、スイッチング素子の破壊を防止する共にコンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等にして装置の安定した運転を継続することができる。

なお、図４におけるスイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４をオンさせればコンデンサＣ_１，Ｃ_２のエネルギーを直流電源ＢＡＴに回生することが可能であるが、本発明は、スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４を備えていない３レベルチョッパにも適用することができる。

また、第１実施形態、第２実施形態においては、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の温度検出値Ｔ_１，Ｔ_２を用いてバランス補正量の切替条件を判定したが、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の温度検出値Ｔ_１，Ｔ_２に代えて、各スイッチング素子の温度推定値を用いても良い。スイッチング素子の温度は、例えば、スイッチング素子の印加電圧、通流電流、通流時間及び周囲温度を用いて推定することができる。

本発明に係る３レベルチョッパは、例えば無停電電源装置や太陽光発電システム等に利用可能である。

ＢＡＴ：直流電源
Ｓ_１〜Ｓ_４：スイッチング素子
Ｄ_１〜Ｄ_４：還流ダイオード
Ｌ_１，Ｌ_２：リアクトル
Ｃ_１，Ｃ_２：コンデンサ
ＬＤ：負荷
Ｐ：正側端子
Ｎ：負側端子
Ｍ：中性点
ＰＷＭ_１，ＰＷＭ_２：ＰＷＭ回路
１００：ＰＷＭ指令生成部
１０１，１０２：加減算器
２００Ａ，２００Ｂ：バランス補正量調整部
２０１，２１６，２２０，２２１，２２５：加減算器
２０２：絶対値演算器
２０３〜２０６：コンパレータ
２０７：否定回路
２０８，２０９，２１４，２１５：アンド回路
２０８Ｓ，２０９Ｓ，２１４Ｓ，２１５Ｓ：切替信号
２１０，２１２，２１９，２２４：切替スイッチ
２１１，２１３：ローパスフィルタ
２１７，２２２：乗算器
２１８，２２３：リミッタ
３００：バランス補正量生成部

Claims

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする３レベルチョッパ。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする３レベルチョッパ。
請求項１または２に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のコンデンサの電圧の差分の絶対値が電圧差分閾値未満である時に前記第１，第２のスイッチング素子に対するバランス補正量を０にすることを特徴とする３レベルチョッパ。
請求項１〜３の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記直流電源の電圧を昇圧して前記負荷に供給することを特徴とする３レベルチョッパ。
請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記第１のダイオードに第３のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第２のダイオードに第４のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする３レベルチョッパ。
請求項５に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記第３，第４のスイッチング素子をオンさせて前記第１，第２のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする３レベルチョッパ。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする、３レベルチョッパの制御回路。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１のコンデンサの電圧、前記第２のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧、前記第１，第２のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第１，第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を０に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする、３レベルチョッパの制御回路。