(57)【要約】【課題】ＦＣ型３レベル電力変換装置において、装置外部に電流を出力することなくフライングキャパシタとフィルタコンデンサの両方を充電する。【解決手段】フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａの１／２との比較、および、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとの比較、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとの比較、および、低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂまたは高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、第１〜第４半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４をＯＮまたはＯＦＦしてフィルタリアクトルＬを含む経路に電流を流し、フライングキャパシタＦＣおよび低圧側のフィルタコンデンサＣ２または高圧側のフィルタコンデンサＣ１を所定の値に充電する。【選択図】図１
2020156161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側のフィルタコンデンサと、
前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第１〜第４半導体スイッチング素子と、
前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、
前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、
前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの負極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、
前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、
フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１〜第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とするＦＣ型３レベル電力変換装置。
【請求項２】
高圧側のフィルタコンデンサと、
前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第４〜第１半導体スイッチング素子と、
前記第４，第３半導体スイッチング素子の接続点と前記第２，第１半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、
前記第３，第２半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、
前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの正極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、
前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、
フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１〜第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とするＦＣ型３レベル電力変換装置。
【請求項３】
直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第１〜第４半導体スイッチング素子と、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第１フライングキャパシタと、を有する第１ユニットと、
前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第５〜第８半導体スイッチング素子と、前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記第７，第８半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第２フライングキャパシタと、を有する第２ユニットと、
前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１フィルタリアクトルと、
前記第６，第７半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第２フィルタリアクトルと、
前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサと、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、
第１，第２フライングキャパシタ電圧と直流電圧源電圧の１／２との比較、および、フィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧＋前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧−前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記第１，第２フライングキャパシタ電圧と前記フィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記第１フライングキャパシタ電圧と前記第２フライングキャパシタ電圧との比較に基づいて、前記第１〜第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記第１，第２フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記第１，第２フライングキャパシタおよび前記フィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とするＦＣ型３レベル電力変換装置。
【請求項４】
前記直流電圧源は前記高圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、
Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ＞Ｖｂ＋αの場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ≦Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊の場合は、前記第１〜第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持することを特徴とする請求項１または２記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ＊：低圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
α：所定値
【請求項５】
前記直流電圧源は前記低圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、
Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊の場合は、前記第１〜第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持し、
Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ＞Ｖａ＋αの場合は、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ≦Ｖａ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮし、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子をＯＦＦすることを特徴とする請求項１または２記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖａ＊：高圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
α：所定値
【請求項６】
α＝０とすることを特徴とする請求項４または５記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
【請求項７】
α＞０とすることを特徴とする請求項４または５記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
【請求項８】
以下の（１）式に示す条件を満たす場合、以下の表１に示すスイッチングパターン、以下の（１）式に示す条件を満たさずまたは、以下の（１）式の条件および表１の選択条件の両方を同時に満たさず、かつ、以下の（２）式に示す条件を満たす場合、以下の表２に示すスイッチングパターン、以下の（１）式、（２）式に示す条件を満たさず、以下の（３）式に示す条件を満たす場合、以下の表３に示すスイッチングパターンで前記第１〜第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦし、
以下の（１）式〜（３）式に示す条件をすべて満たさない場合、前記第１〜第８半導体スイッチング素子をすべてＯＦＦすることを特徴とする請求項３記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
【数１】
2020156161.tif 000015
【表１】
2020156161.tif 000016
【数２】
2020156161.tif 000017
【表２】
2020156161.tif 000018
【数３】
2020156161.tif 000019
【表３】
2020156161.tif 000020
Ｖｆｃ１：第１フライングキャパシタ電圧
Ｖｆｃ２：第２フライングキャパシタ電圧
Ｖｄｃ：直流電圧源電圧
Ｖｃ：フィルタコンデンサ電圧
Ｖｃ＊：フィルタコンデンサ電圧指令値
Ｔ１〜Ｔ８：第１〜第８半導体スイッチング素子
【請求項９】
前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された４つの半導体スイッチング素子と、１つ目の半導体スイッチング素子と２つ目の半導体スイッチング素子の接続点と３つ目の半導体スイッチング素子と４つ目の半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、をそれぞれ備えた第１〜第Ｎユニット（Ｎ＝３以上の整数）と、
各ユニットの２つ目の半導体スイッチング素子と３つ目の半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１〜第Ｎリアクトルと、
前記第１〜第Ｎリアクトルの他端の間にそれぞれ接続されたフィルタコンデンサと、を備え、
フライングキャパシタ電圧が最も低いユニットと、２番目に低いユニットを前記第１ユニット、前記第２ユニットとし、前記第１ユニット，第２ユニットに一端が接続されたフィルタリアクトルを第１，第２フィルタリアクトルとし、前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサのフィルタコンデンサ電圧をＶｃとすることを特徴とする請求項８記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライングキャパシタ（ＦＣ）型３レベル電力変換装置において、フライングキャパシタおよびフィルタコンデンサの電圧制御に関する。 
【背景技術】
【０００２】
図２１に特許文献１記載のＦＣ型３レベルチョッパ回路を示し、図２２に、複数のユニットを有し、差動出力可能なＦＣ型３レベル変換器の構成例を示す。本明細書では、図２１に示すようなＦＣ型３レベルチョッパ回路と、図２２に示すようなＦＣ型３レベル変換器を含めて、ＦＣ型３レベル電力変換装置と称する。
【０００３】
ＦＣ型３レベル電力変換装置は２レベルに比べ出力電圧リプルが半分である。また、遮断電圧も半分であるため半導体スイッチング素子のスイッチング損失が減少し、スイッチング周波数を上げやすくなる。この特長は、高効率や高い応答速度、低リプルが要求される装置に適している。
【０００４】
ＦＣ型３レベル電力変換装置を正常に動作させるためには、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ，Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２を直流電圧源電圧の半分に制御する必要がある。フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ，Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２にずれが生じると、一部の半導体スイッチング素子に過大な電圧がかかり、出力電圧に重畳するリプルが大きくなり出力電圧や出力電流の波形がひずみ、周囲の装置の誤動作やフィルタのリアクトル、フィルタコンデンサおよびトランスの過熱といった問題が発生する。
【０００５】
特許文献２，３にはＦＣ型３レベルインバータ向けのＦＣ電圧制御法が開示されており、ＦＣ型３レベルチョッパ回路にもそのまま適用することができる。
【０００６】
差動出力可能なＬＣフィルタを有するＦＣ型３レベル変換器は、直流電圧源電圧ＶｄｃをＥとしたとき、第１〜第８半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ８のオンまたはオフの動作によって、第１，第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１、Ｖｆｃ２をＥ／２（Ｖｄｃの半分）に制御しつつ、３レベルの電圧（Ｅ，Ｅ／２，０）を第２，第３半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３の接続点、第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７の接続点より出力して負荷に印加する。
【０００７】
ＦＣ型３レベル変換器の詳細は、一般文献や特許文献５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平６−６７１８１号公報
【特許文献２】特許第３３０１７６１号
【特許文献３】特開２０１８−１２９９６８号公報
【特許文献４】特開２０１５−２１６７９０号公報
【特許文献５】特開２０１７−１６３６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２，３を用いてフライングキャパシタ電圧を制御するためには、装置が電流を出力している必要がある。そのため、装置が停止している間は自然放電によりフライングキャパシタ電圧が減少してしまう。また、運転前にあらかじめフライングキャパシタ電圧を直流電圧の半分程度に充電する手段が別途必要になる。
【００１０】
また、一般的な電力変換装置にはスイッチングリプルの除去を目的としてフィルタコンデンサが接続されている。例えば装置にバッテリーを接続する場合、バッテリーからフィルタコンデンサに突入電流が流れてしまう。これを防止するため、あらかじめフィルタコンデンサをバッテリーと同じ電圧に充電する必要がある。特許文献４ではフィルタコンデンサの接続を想定していないため、フィルタコンデンサの充電を行うことができない。
【００１１】
以上示したようなことから、ＦＣ型３レベル電力変換装置において、装置外部に電流を出力することなくフライングキャパシタとフィルタコンデンサの両方を充電することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、高圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第１〜第４半導体スイッチング素子と、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの負極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１〜第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とする。
【００１３】
また、他の態様として、高圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第４〜第１半導体スイッチング素子と、前記第４，第３半導体スイッチング素子の接続点と前記第２，第１半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、前記第３，第２半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの正極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１〜第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とする。
【００１４】
また、他の態様として、直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第１〜第４半導体スイッチング素子と、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第１フライングキャパシタと、を有する第１ユニットと、前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第５〜第８半導体スイッチング素子と、前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記第７，第８半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第２フライングキャパシタと、を有する第２ユニットと、前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１フィルタリアクトルと、前記第６，第７半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第２フィルタリアクトルと、前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサと、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、第１，第２フライングキャパシタ電圧と直流電圧源電圧の１／２との比較、および、フィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧＋前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧−前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記第１，第２フライングキャパシタ電圧と前記フィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記第１フライングキャパシタ電圧と前記第２フライングキャパシタ電圧との比較に基づいて、前記第１〜第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記第１，第２フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記第１，第２フライングキャパシタおよび前記フィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とする。
【００１５】
また、他の態様として、前記直流電圧源は前記高圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ＞Ｖｂ＋αの場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ≦Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊の場合は、前記第１〜第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持することを特徴とする。
ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ＊：低圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
α：所定値。
【００１６】
また、他の態様として、前記直流電圧源は前記低圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊の場合は、前記第１〜第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持し、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ＞Ｖａ＋αの場合は、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ≦Ｖａ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮし、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子をＯＦＦすることを特徴とする。
ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖａ＊：高圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
α：所定値。
【００１７】
また、他の態様として、α＝０とすることを特徴とする。
【００１８】
また、他の態様として、α＞０とすることを特徴とする。
【００１９】
また、他の態様として、以下の（１）式に示す条件を満たす場合、以下の表１に示すスイッチングパターン、以下の（１）式に示す条件を満たさずまたは、以下の（１）式の条件および表１の選択条件の両方を同時に満たさず、かつ、以下の（２）式に示す条件を満たす場合、以下の表２に示すスイッチングパターン、以下の（１）式、（２）式に示す条件を満たさず、以下の（３）式に示す条件を満たす場合、以下の表３に示すスイッチングパターンで前記第１〜第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦし、
以下の（１）式〜（３）式に示す条件をすべて満たさない場合、前記第１〜第８半導体スイッチング素子をすべてＯＦＦすることを特徴とする。
【００２０】
【数１】
2020156161.tif 000003
【００２１】
【表１】
2020156161.tif 000004
【００２２】
【数２】
2020156161.tif 000005
【００２３】
【表２】
2020156161.tif 000006
【００２４】
【数３】
2020156161.tif 000007
【００２５】
【表３】
2020156161.tif 000008
【００２６】
Ｖｆｃ１：第１フライングキャパシタ電圧
Ｖｆｃ２：第２フライングキャパシタ電圧
Ｖｄｃ：直流電圧源電圧
Ｖｃ：フィルタコンデンサ電圧
Ｖｃ＊：フィルタコンデンサ電圧指令値
Ｔ１〜Ｔ８：第１〜第８半導体スイッチング素子。
【００２７】
また、他の態様として、前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された４つの半導体スイッチング素子と、１つ目の半導体スイッチング素子と２つ目の半導体スイッチング素子の接続点と３つ目の半導体スイッチング素子と４つ目の半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、をそれぞれ備えた第１〜第Ｎユニット（Ｎ＝３以上の整数）と、各ユニットの２つ目の半導体スイッチング素子と３つ目の半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１〜第Ｎリアクトルと、前記第１〜第Ｎリアクトルの他端の間にそれぞれ接続されたフィルタコンデンサと、を備え、フライングキャパシタ電圧が最も低いユニットと、２番目に低いユニットを前記第１ユニット、前記第２ユニットとし、前記第１ユニット，第２ユニットに一端が接続されたフィルタリアクトルを第１，第２フィルタリアクトルとし、前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサのフィルタコンデンサ電圧をＶｃとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＦＣ型３レベル電力変換装置において、装置外部に電流を出力することなくフライングキャパシタとフィルタコンデンサの両方を充電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態１におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。
【図２】実施形態１における充電処理の手順を示すフローチャート。
【図３】各スイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図４】実施形態２におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。
【図５】実施形態２における充電処理の手順を示すフローチャート。
【図６】実施形態３におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。
【図７】実施形態５におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。
【図８】実施形態５（Ｎｏ１）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図９】実施形態５（Ｎｏ２）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１０】実施形態５（Ｎｏ３）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１１】実施形態５（Ｎｏ４）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１２】実施形態５（Ｎｏ５）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１３】実施形態５（Ｎｏ６）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１４】実施形態５（Ｎｏ７）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１５】実施形態５（Ｎｏ８）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１６】実施形態５（Ｎｏ９）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１７】実施形態５（Ｎｏ１０）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１８】実施形態５（Ｎｏ１１）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。
【図１９】実施形態６におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。
【図２０】実施形態７におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。
【図２１】従来のＦＣ型３レベルチョッパ回路を示す回路図。
【図２２】従来のＦＣ型３レベル変換器を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本願発明におけるＦＣ型３レベル電力変換装置の実施形態１〜７を図１〜図２０に基づいて詳述する。
【００３１】
［実施形態１］
図１に本実施形態１におけるＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）の回路構成を示す。直流電圧源ＤＣには並列に高圧側のフィルタコンデンサＣ１が接続される。また、高圧側のフィルタコンデンサＣ１の正極と負極との間には、第１〜第４半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４が順次直列接続される。第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の接続点と第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４の接続点との間にフライングキャパシタＦＣが接続される。
【００３２】
第２，第３半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３の接続点には、フィルタリアクトルＬがの一端が接続される。フィルタリアクトルＬの他端と高圧側のフィルタコンデンサＣ１の負極との間には低圧側のフィルタコンデンサＣ２が接続される。フィルタリアクトルＬと低圧側のフィルタコンデンサＣ２の接続点、および、直流電圧源ＤＣの負極が出力端子となる。
【００３３】
ここで、高圧側のフィルタコンデンサ電圧をＶａ、低圧側のフィルタコンデンサ電圧をＶｂ、フライングキャパシタ電圧をＶｆｃとする。本実施形態１では高圧側に直流電圧源ＤＣが接続され、直流電圧源ＤＣからフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電することを想定している。チョッパ回路とＬＣフィルタからなる電力変換装置と負荷は切り離された状態とする。
【００３４】
図２は本実施形態１における充電処理の手順を示すフローチャートである。図２のフローチャートにおける判断では、条件を満たしていれば下に、条件を満たさなければ右に分岐する。本実施形態１では、判断における所定値α＝０とする。所定値αについては後述する。本実施形態１は以下の手順（Ｓ１〜Ｓ１５）によりフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。
【００３５】
Ｓ１において、直流電圧源電圧（＝高圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖａ，低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂ，フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを検出する。Ｓ２において、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと直流電圧源電圧（＝高圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖａの１／２であるＶａ／２を比較する。
【００３６】
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、すなわち、フライングキャパシタＦＣを充電する必要がある場合、Ｓ３へ移行して低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｂ＊を比較する。
【００３７】
Ｖｂ＜Ｖｂ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２の両方を充電する必要がある場合、Ｓ４へ移行して直流電圧源電圧（高圧側のフィルタコンデンサ電圧）ＶａとＶｆｃ＋Ｖｂを比較する。
【００３８】
Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂの場合、Ｓ５へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮする。Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂの場合、Ｓ６へ移行し、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮした後、Ｓ５へ移行して第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦし第１半導体スイッチング素子Ｔ１のみをＯＮする。
【００３９】
Ｓ３において、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣだけを充電する必要がある場合、Ｓ７へ移行して低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとフライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを比較する。
【００４０】
Ｖｂ＞Ｖｆｃの場合、Ｓ８へ移行し、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮする。Ｖｂ≦Ｖｆｃの場合、Ｓ９へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３と第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮした後、Ｓ８へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＦＦし、第４半導体スイッチング素子Ｔ４のみをＯＮする。
【００４１】
Ｓ２において、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、すなわち、フライングキャパシタＦＣの充電が不要の場合、Ｓ１０へ移行し、低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｂ＊を比較する。
【００４２】
Ｖｂ＜Ｖｂ＊、すなわち、低圧側のフィルタコンデンサＣ２だけ充電する必要がある場合、Ｓ１１へ移行し、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂを比較する。
【００４３】
Ｖｆｃ＞Ｖｂの場合、Ｓ１２へ移行して第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮする。Ｖｆｃ≦Ｖｂの場合、Ｓ１３へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮした後、Ｓ１２へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＦＦし、第２半導体スイッチング素子Ｔ２のみをＯＮする。
【００４４】
Ｓ１０において、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣも低圧側のフィルタコンデンサＣ２も充電不要の場合、Ｓ１４へ移行し、第１〜第４半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４はＯＦＦを維持し、自然放電を促す。
【００４５】
Ｓ１５では、すべての半導体スイッチング素子のゲートをＯＦＦする。ゲートＯＮ時間、または、待機時間は短時間（１０μｓ程度）を想定している。以上の動作を例えば１ｍｓ間隔など半導体スイッチング素子やフィルタリアクトルなどの熱責務が問題にならない頻度で運転開始まで繰り返す。
【００４６】
図３に各スイッチングパターンにおける電流経路を示す。フライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を両方とも充電したい場合、Ｓ５において、第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮし、図３（ｂ）の経路（Ｃ１→Ｔ１→ＦＣ→Ｔ３→Ｌ→Ｃ２）で電流を流し、フライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。
【００４７】
しかし、両方ともある程度充電が進んでいてＶｆｃ＋Ｖｂ≧Ｖａの場合は、第１半導体スイッチング素子Ｔ１だけをＯＮしても電流が流れない。この場合は、Ｓ６において、第２半導体スイッチング素子Ｔ２も合わせてＯＮして、図３（ａ）の経路（Ｃ１→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ→Ｃ２）で電流を流し、Ｓ５において、第２半導体スイッチング素子Ｔ２だけをＯＦＦして、図３（ｂ）の経路で電流を流す。
【００４８】
低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂは十分でフライングキャパシタＦＣだけを充電したい場合、Ｖｂ＞Ｖｆｃならば、Ｓ８において、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮし、図３（ｄ）の経路（Ｃ２→Ｌ→Ｔ２→ＦＣ→Ｔ４）で電流を流し、低圧側のフィルタコンデンサＣ２からフライングキャパシタＦＣへ充電する。
【００４９】
Ｖｂ≦Ｖｆｃならば第４半導体スイッチング素子Ｔ４だけをＯＮしても電流は流れないため、Ｓ９において、第３半導体スイッチング素子Ｔ３も合わせてＯＮして、図３（ｃ）の経路（Ｃ２→Ｌ→Ｔ３→Ｔ４）で電流を流し、その後、Ｓ８において、第３半導体スイッチング素子Ｔ３だけをＯＦＦして図３（ｄ）の経路で電流を流す。
【００５０】
フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃは十分で低圧側のフィルタコンデンサＣ２だけを充電したい場合、Ｖｆｃ＞Ｖｂならば、Ｓ１２において、第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮし、図３（ｅ）の経路（ＦＣ→Ｔ２→Ｌ→Ｃ２→Ｔ４）で電流を流し、フライングキャパシタＦＣから低圧側のフィルタコンデンサＣ２へ充電する。
【００５１】
Ｖｆｃ≦Ｖｂならば第２半導体スイッチング素子Ｔ２だけをＯＮしても電流は流れないため、Ｓ１３において、第１半導体スイッチング素子Ｔ１も合わせてＯＮして図３（ａ）の経路（Ｃ１→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ→Ｃ２）で電流を流し、その後、Ｓ１２において、第１半導体スイッチング素子Ｔ１だけをＯＦＦして図３（ｅ）の経路で電流を流す。
【００５２】
フライングキャパシタＦＣも低圧側のフィルタコンデンサＣ２も電圧が十分高い場合は、Ｓ１４において、すべての半導体スイッチング素子のゲートのＯＦＦを維持し、自然放電を促しつつ待機する（Ｓ１４）。
【００５３】
以上を一定の周期で繰り返し行うことで、フライングキャパシタ電圧ＶｆｃをＶａ／２に、低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂをフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｂ＊に充電することができる。
【００５４】
以上示したように、本実施形態１によれば、ＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）において高圧側からフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電することができる。
【００５５】
負荷を切り離した状態で充電することができるため、負荷に電流を流す必要がなく、負荷接続時の突入電流を防止することができる。負荷を接続した状態で本実施形態１を適用することもでき、ゲートＯＮ時間を短くすることにより負荷に流れる電流を最小限にすることができる。
【００５６】
本実施形態１は別途予備充電回路を用意することなくフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電することができる。
【００５７】
［実施形態２］
図４に本実施形態２におけるＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）の回路構成を示す。本実施形態２では低圧側のフィルタコンデンサＣ２に対して直流電圧源ＤＣが並列接続され、高圧側のフィルタコンデンサＣ１に並列接続された直流電圧源ＤＣが削除されている。その他は実施形態１（図１）と同様である。本実施形態２では、直流電圧源ＤＣからフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電することを想定している。本実施形態２においても負荷は切り離された状態とする。
【００５８】
図５に本実施形態２のフローチャートを示す。本実施形態２においても、判断における所定値α＝０とする。本実施形態２は以下の手順（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４〜Ｓ９，Ｓ１４〜Ｓ２０）によりフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電する。
【００５９】
Ｓ１において、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａ，直流電圧源電圧（＝低圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖｂ，フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを検出する。Ｓ２において、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａの１／２であるＶａ／２を比較する。
【００６０】
Ｖｆｃ＜Ｖａ／２の場合、すなわち、フライングキャパシタＦＣを充電する必要がある場合、Ｓ１６へ移行し、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖａ＊を比較する。
【００６１】
Ｖａ＞Ｖａ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣだけを充電する必要がある場合、Ｓ４へ移行して高圧側のフィルタコンデンサ電圧ＶａとＶｆｃ＋Ｖｂを比較する。Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂならば、Ｓ５へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮする。
【００６２】
Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂの場合、Ｓ６へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮした後、Ｓ５へ移行して第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦし第１半導体スイッチング素子Ｔ１のみをＯＮする。
【００６３】
Ｖａ≦Ｖａ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１の両方を充電する必要がある場合、Ｓ７へ移行して直流電圧源電圧（＝低圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖｂとフライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを比較する。
【００６４】
Ｖｂ＞Ｖｆｃの場合、Ｓ８へ移行して第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮする。Ｖｂ≦Ｖｆｃの場合、Ｓ９へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３と第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮした後、Ｓ８へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＦＦし第４半導体スイッチング素子Ｔ４のみをＯＮする。
【００６５】
Ｓ２において、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、すなわち、フライングキャパシタＦＣの充電が不要ならば、Ｓ１７へ移行し、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖａ＊を比較する。Ｖａ＞Ｖａ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣも高圧側のフィルタコンデンサＣ１も充電不要ならば、Ｓ１４へ移行して、第１〜第４半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４はＯＦＦを維持し、自然放電を促す。
【００６６】
Ｖａ≦Ｖａ＊、すなわち、高圧側のフィルタコンデンサＣ１だけ充電する必要がある場合、Ｓ１８へ移行してＶｆｃ＋Ｖｂと高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａを比較する。
【００６７】
Ｖｆｃ＋Ｖｂ＞Ｖａの場合、Ｓ１９へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＮする。Ｖｆｃ＋Ｖｂ≦Ｖａの場合、Ｓ２０へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３と第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮした後、Ｓ１９へ移行して第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＦＦし第３半導体スイッチング素子Ｔ３のみをＯＮする。
【００６８】
最後に、Ｓ１５へ移行してすべての半導体スイッチング素子のゲートをＯＦＦする。
【００６９】
本実施形態２もゲートＯＮ時間または待機時間は短時間（１０μｓ程度）を想定している。以上の動作を運転開始まで繰り返す。本実施形態２では、予備充電回路などを用いて高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａをあらかじめ直流電圧源電圧（低圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖｂまで充電する必要がある。
【００７０】
本実施形態２でのスイッチングパターン選択条件として、実施形態１におけるＳ３，Ｓ１０の「Ｖｂ＜Ｖｂ＊（低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電したい場合）」をＳ１６，Ｓ１７において、「Ｖａ＞Ｖａ＊（高圧側のフィルタコンデンサＣ１を放電したい場合）」に置き換えればよい。すなわち、図５のフローチャートにおいて、２番目の判断において不等号の向きを変えればよい。
【００７１】
ただし、実施形態１における「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃもフィルタコンデンサ電圧Ｖｂも十分高い場合（Ｓ１４）」は本実施形態２において「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃは十分高いが高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａは充電が必要（Ｓ１８）」に相当する。そのため、Ｓ１９において、第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＮして図３（ｆ）の経路（Ｃ２→Ｌ→Ｔ３→ＦＣ→Ｔ１→Ｃ１）で電流を流し、高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電する。Ｖａ≧Ｖｆｃ＋Ｖｂで第３半導体スイッチング素子Ｔ３だけをＯＮしても電流が流れない場合は、Ｓ２０において、第４半導体スイッチング素子Ｔ４もＯＮして図３（ｃ）の経路で電流を流し、その後、Ｓ１９において、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＦＦして電流経路を図３（ｆ）とする。
【００７２】
一方、実施形態１における「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃは十分だが低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂは充電が必要な場合（Ｓ１０でＹｅｓの場合）」は、本実施形態２において「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃも高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａも十分高い場合（Ｓ１７でＹｅｓの場合）」に相当するため、すべての半導体スイッチング素子のゲートのＯＦＦを維持して自然放電を促しつつ待機する（Ｓ１４）。
【００７３】
以上示したように、本実施形態２によれば、ＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）において、低圧側からフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電することができる。その他の効果は実施形態１と同等だが、実施形態２では高圧側のフィルタコンデンサＣ１の予備充電回路が必要となる。なお、フライングキャパシタＦＣの予備充電回路は不要である。
【００７４】
［実施形態３］
図６に本実施形態３の回路構成を示す。本実施形態３は高圧側のフィルタコンデンサＣ１，低圧側のフィルタコンデンサＣ２の正極側を共通電位とした構成である。半導体スイッチング素子は、正極側から順に第４半導体スイッチング素子Ｔ４，第３半導体スイッチング素子Ｔ３，第２半導体スイッチング素子Ｔ２，第１半導体スイッチング素子Ｔ１とする。その他は実施形態１、または、実施形態２と同様である。
【００７５】
高圧側のフィルタコンデンサＣ１に直流電圧源ＤＣが並列接続された場合、実施形態１と同じ手順でフライングキャパシタＦＣ、および、低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。低圧側のフィルタコンデンサＣ２に直流電圧源ＤＣが並列接続された場合、実施形態２と同じ手順でフライングキャパシタＦＣ、および、高圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。
【００７６】
実施形態１，２では高圧側のフィルタコンデンサＣ１，低圧側のフィルタコンデンサＣ２の負極側を共通電位とした構成であった。しかし、図６に示すように正極側を共通電位とする回路構成も可能である。本実施形態３は半導体スイッチング素子の接続順を入れ替えることにより、図６の回路構成に対しても実施形態１，２と全く同じ手順でフライングキャパシタＦＣおよび高圧側のフィルタコンデンサＣ１、または、低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充放電することが可能となる。
【００７７】
以上示したように、本実施形態３により、正極側を共通電位としたＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）においても実施形態１，２と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
［実施形態４］
本実施形態４では、図２，図５のフローチャートの電圧比較（Ｓ４，Ｓ７，Ｓ１１，Ｓ１８）において所定値α＞０とする。
【００７９】
例えば、実施形態１においてＶｆｃ＜Ｖａ／２（フライングキャパシタＦＣを充電したい），Ｖｂ＜Ｖｂ＊（低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電したい）の場合、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂを満たすならば第１半導体スイッチング素子Ｔ１だけをＯＮする。
【００８０】
しかし、両者の値が非常に近い場合、フィルタリアクトルＬに印加される電圧Ｖａ−Ｖｆｃ−Ｖｂ＞０は零よりも大きいが非常に小さくなり、充電電流は流れるが充電に時間がかかってしまう。これを防ぐため所定値α＞０を設定する。フィルタリアクトルＬに印加される電圧Ｖａ−Ｖｆｃ−Ｖｂを所定値αよりも確実に大きくすることができる。
【００８１】
またＶａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αを満たさない場合は、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をあわせてＯＮすることでフィルタリアクトルＬに印加する電圧はＶａ−Ｖｂとなり、大きな充電電流を流し充電時間を短くすることができる。
【００８２】
所定値αの値の目安としては、フィルタリアクトルＬの大きさにもよるが高圧側のフィルタコンデンサ電圧の定格値（耐圧値）の１０％〜３０％程度となる。所定値αの値を可変にし、装置の立ち上げ直後は所定値αを大きくして充電完了までの時間を短縮し、いったんフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１または低圧側のフィルタコンデンサＣ２の充電が完了したら所定値αを小さくすることで充電電流を小さくし電圧制御の精度を向上し装置部品の熱責務を低減することもできる。
【００８３】
以上示したように、本実施形態４によれば、フライングキャパシタＦＣおよびフィルタコンデンサＣの充電にかかる時間を短くすることができる。
【００８４】
［実施形態５］
実施形態５〜７は、差動出力可能なＬＣフィルタを有するＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）において、「待機中」に直流電圧源ＤＣや第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２、フィルタコンデンサＣ２の充電状態に応じて、半導体スイッチング素子をオン／オフさせることにより、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２やフィルタコンデンサＣ２の充電および充電状態を維持する方法を説明する。
【００８５】
図７に本実施形態５におけるＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）の概略図を示す。図７では、負荷を蓄電装置Ｃ３としている。まず、図７に示すＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）について説明する。
【００８６】
図７に示すように、直流電圧源ＤＣには第１ユニット１と第２ユニット２が接続される。第１ユニット１は、直流電圧源ＤＣの正極と負極との間に第１〜第４半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４が順次直列接続される。第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の接続点と第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４の接続点との間に第１フライングキャパシタＦＣ１が接続される。第２，第３半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３の接続点が第１ユニット１の出力端子となる。
【００８７】
第２ユニット２は、直流電圧源ＤＣの正極と負極との間に第５〜第８半導体スイッチング素子Ｔ５〜Ｔ８が順次直列接続される。第５，第６半導体スイッチング素子Ｔ５，Ｔ６の接続点と第７，第８半導体スイッチング素子Ｔ７，Ｔ８の接続点との間に第２フライングキャパシタＦＣ２が接続される。第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７の接続点が第２ユニットの出力端子となる。
【００８８】
第１ユニット１と第２ユニット２の出力端子には、それぞれ第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２の一端が接続される。第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２の他端の間にはフィルタコンデンサＣ２が接続される。フィルタコンデンサＣ２には蓄電装置Ｃ３が並列接続される。フィルタコンデンサＣ２と蓄電装置Ｃ３の間にはスイッチＳＷが接続される。
【００８９】
各半導体スイッチング素子がすべてオフの状態のときに、スイッチＳＷを開いて、ＦＣ型３レベル電力変換装置と蓄電装置Ｃ３を切り離しておく。フィルタコンデンサＣ２のフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＊は、蓄電装置Ｃ３の電圧値と一致するように設定する。なお、本実施形態５では、Ｖｃ＊≧０とする。
【００９０】
次に、以下の（１）式の条件式を満たす場合、すなわち第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の充電がそれぞれ必要ならば、直流電圧源ＤＣから、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を同時に充電する。スイッチングパターンは、以下の表１に従って、各半導体スイッチング素子をオン／オフさせる。
【００９１】
【数１】
2020156161.tif 000009
【００９２】
【表１】
2020156161.tif 000010
【００９３】
表１において、Ｖｃはフィルタコンデンサ電圧、Ｖｆｃ１は第１フライングキャパシタ電圧、Ｖｆｃ２は第２フライングキャパシタ電圧、Ｖｄｃは直流電圧源電圧を示す。
【００９４】
表１のＮｏ１の時は図８に示すスイッチングパターンとなり、Ｎｏ２の時は図９に示すスイッチングパターンとなる。図８，図９に示すように、丸印は半導体スイッチング素子がオン状態中を示している。破線は電流方向を表し、矢印方向を正とする。
【００９５】
図８の場合、ＤＣ→Ｔ１→ＦＣ１→Ｔ３→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ６→ＦＣ２→Ｔ８の経路で電流が流れる。図９の場合、ＤＣ→Ｔ５→ＦＣ２→Ｔ７→Ｌ２→Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→ＦＣ１→Ｔ４の経路で電流が流れる。
【００９６】
これにより、第１フライングキャパシタＦＣ１および第２フライングキャパシタＦＣ２は充電され、フィルタコンデンサＣ２は表１のＮｏ１（図８）では充電、Ｎｏ２（図９）では放電される。
【００９７】
上記（１）の条件式が満たしていない場合、または上記（１）の条件式を満たしているが表１の選択条件を満たしていない場合、かつ、以下の（２）の条件式を満たす場合、すなわち第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２のうち何れか一方のみ充電が必要であるか、または、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２およびフィルタコンデンサＣ２の電圧が指令値には満たないが、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２およびフィルタコンデンサＣ２の電圧の合計が直流電圧Ｖｄｃより高いために第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を同時に充電できないならば、直流電圧源ＤＣ、または、フィルタコンデンサＣ２から、第１フライングキャパシタＦＣ１、または、第２フライングキャパシタＦＣ２のいずれか電圧値が低い方を充電する。
【００９８】
【数２】
2020156161.tif 000011
【００９９】
スイッチングパターンは、表２に従って、各半導体スイッチング素子をオン／オフさせる。
【０１００】
【表２】
2020156161.tif 000012
【０１０１】
表２のＮｏ３の時は図１０、Ｎｏ４の時は図１１、Ｎｏ５の時は図１２、Ｎｏ６の時は図１３、Ｎｏ７の時は図１４、Ｎｏ８の時は図１５に示すスイッチングパターンとなる。図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５に示すように、丸印は半導体スイッチング素子がオン状態中を示している。破線は電流方向を表し、矢印方向を正とする。
【０１０２】
図１０の場合、Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→ＦＣ１→Ｔ４→Ｔ８→Ｔ７→Ｌ２の経路で電流が流れる。図１１の場合、ＤＣ→Ｔ１→ＦＣ１→Ｔ３→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７→Ｔ８の経路で電流が流れる。図１２の場合、ＤＣ→Ｔ５→Ｔ６→Ｌ２→Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→ＦＣ１→Ｔ４の経路で電流が流れる。図１３の場合、Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→Ｔ１→Ｔ５→ＦＣ２→Ｔ７→Ｌ２の経路で電流が流れる。図１４の場合、ＤＣ→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ６→ＦＣ２→Ｔ８の経路で電流が流れる。図１５の場合、ＤＣ→Ｔ５→ＦＣ２→Ｔ７→Ｌ２→Ｃ２→Ｌ１→Ｔ３→Ｔ４の経路で電流が流れる。
【０１０３】
第１フライングキャパシタＦＣ１、または、第２フライングキャパシタＦＣ２は充電され、フィルタコンデンサＣ２は表２のＮｏ４、Ｎｏ７では充電、Ｎｏ３、Ｎｏ５、Ｎｏ６、Ｎｏ８では放電される。
【０１０４】
（１）の条件式および（２）の条件式を満たしておらず、かつ、以下の（３）式の条件式を満たす場合、すなわち、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の両方が充電されており、フィルタコンデンサＣ２の充電が必要ならば、直流電圧源ＤＣまたは、第１フライングキャパシタＦＣ１または第２フライングキャパシタＦＣ２のいずれか電圧値が高い方から、フィルタコンデンサＣ２を充電する。
【０１０５】
【数３】
2020156161.tif 000013
【０１０６】
スイッチングパターンは、表３に従って、各半導体スイッチング素子をオン／オフさせる。
【０１０７】
【表３】
2020156161.tif 000014
【０１０８】
表３のＮｏ９の時は図１６、Ｎｏ１０の時は図１７、Ｎｏ１１の時は図１８に示すスイッチングパターンとなる。図１６，図１７，図１８に示すように、丸印は半導体スイッチング素子がオン状態中を示している。破線は電流方向を表し、矢印方向を正とする。
【０１０９】
図１６の場合、ＦＣ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７→Ｔ８→Ｔ４の経路で電流が流れる。図１７の場合、ＦＣ２→Ｔ５→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７の経路で電流が流れる。図１８の場合、ＤＣ→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７→Ｔ８の経路で電流が流れる。
【０１１０】
フィルタコンデンサＣ２は充電され、表３のＮｏ９（図１６）では第１フライングキャパシタＦＣ１を放電、Ｎｏ１０（図１７）では第２フライングキャパシタＦＣ２を放電する。
【０１１１】
上述した（１）式および（２）式および（３）式を満たさない場合は、一旦、半導体スイッチング素子をすべてオフして、待機中とし、ＦＣ型３レベル電力変換装置のインピーダンスで自然放電させる、または外部回路などで放電を行う。
【０１１２】
また、半導体スイッチング素子のオン時間は、フィルタリアクトルの値によって、過電流による装置の破損が起こる可能性があるため、オン時間は短時間（１０μｓ程度）とする。
【０１１３】
第１フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１および第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ２がＥ／２±許容誤差の範囲内であり、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃがフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＊±許容誤差の範囲内であった場合、一旦、半導体スイッチング素子をすべてオフして、充電を終了する。
【０１１４】
その後、スイッチＳＷをオンしてＦＣ型３レベル電力変換装置と蓄電装置Ｃ３を接続した後に、従来技術と同様に給電を行う。この時、第１フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１および第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ２の電圧はＥ／２に充電されており、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは蓄電装置Ｃ３の電圧値と一致するため、スイッチＳＷ投入時の突入電流が軽減される。また、給電の初期状態から（Ｅ，Ｅ／２，０）の負荷電圧を確立することができる。
【０１１５】
本実施形態５では、第１，第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２をＥ／２に確立してから、蓄電装置Ｃ３などの負荷へ給電できる。これにより、出力電圧や波形ひずみが軽減され、負荷給電の初期状態から高精度の電圧を負荷へ印加できるようになる。また、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは蓄電装置Ｃ３の電圧値と一致するため、スイッチＳＷ投入時の不要な突入電流が軽減される。
【０１１６】
［実施形態６］
本実施形態６では、Ｖｃ＊＜０とした場合、すなわちフィルタコンデンサＣ２の充電方向を実施形態５の逆としたものである。本実施形態６のＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）の構成を図１９に示す。図７の第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２および第１〜第８半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ８を図１９のように変更する。すなわち、第１，第２ユニット１，２を交換することにより、実施形態５の（１）式、（２）式、（３）式および表１、表２、表３が適用でき、実施形態５と同様の効果が得られる。
【０１１７】
［実施形態７］
本実施形態７では、ＬＣフィルタを有するＦＣ型３レベル電力変換装置のユニットの直列数をＮ（Ｎ＝３以上の整数）に拡張したものである。本実施形態７では、図２０に示すように、Ｎを３とした構成としている。
【０１１８】
各ユニットは、直流電圧源ＤＣの正極と負極との間に４つの半導体スイッチング素子が直列接続される。１つ目の半導体スイッチング素子と２つ目の半導体スイッチング素子の接続点と３つ目の半導体スイッチング素子と４つ目の半導体スイッチング素子の接続点との間にフライングキャパシタが接続される。
【０１１９】
各ユニットの２つ目の半導体スイッチング素子と３つ目の半導体スイッチング素子の接続点に第１〜第Ｎフィルタリアクトルの一端がそれぞれ接続される。第１〜第Ｎフィルタリアクトルの他端の間にそれぞれフィルタコンデンサが接続される。
【０１２０】
フライングキャパシタ電圧の最も低いユニットと２番目に低いユニットを第１，第２ユニット１，２とする。また、第１，第２ユニット１，２に一端が接続されたフィルタリアクトルを第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２とする。第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２の他端間に接続されたフィルタコンデンサＣのフライングキャパシタ電圧をＶｃとする。そして、実施形態５の（１）式、（２）式、（３）式および表１、表２、表３を適用することで、実施形態５と同様の効果が得られる。
【０１２１】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【０１２２】
なお、直流電圧源ＤＣは、直流電源としても良く、直流コンデンサとしても良い。
【符号の説明】
【０１２３】
ＤＣ…直流電圧源
Ｃ１，Ｃ２…フィルタコンデンサ
Ｃ３…蓄電装置
ＦＣ，ＦＣ１，ＦＣ２…フライングキャパシタ
Ｔ１〜Ｔ８…第１〜第８半導体スイッチング素子
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…フィルタリアクトル
Ｖａ…高圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｂ…低圧側のフィルタコンデンサ電圧
Ｖｃ…フィルタコンデンサ電圧
Ｖｆｃ，Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２…フライングキャパシタ電圧
Ｖａ＊，Ｖｂ＊…フィルタコンデンサ電圧指令値
α…所定値
Ｖｄｃ…直流電圧源電圧
１，２…第１，第２ユニット
【図１】
2020156161.tif 000021
【図２】
2020156161.tif 000022
【図３】
2020156161.tif 000023
【図４】
2020156161.tif 000024
【図５】
2020156161.tif 000025
【図６】
2020156161.tif 000026
【図７】
2020156161.tif 000027
【図８】
2020156161.tif 000028
【図９】
2020156161.tif 000029
【図１０】
2020156161.tif 000030
【図１１】
2020156161.tif 000031
【図１２】
2020156161.tif 000032
【図１３】
2020156161.tif 000033
【図１４】
2020156161.tif 000034
【図１５】
2020156161.tif 000035
【図１６】
2020156161.tif 000036
【図１７】
2020156161.tif 000037
【図１８】
2020156161.tif 000038
【図１９】
2020156161.tif 000039
【図２０】
2020156161.tif 000040
【図２１】
2020156161.tif 000041
【図２２】
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