(57)【要約】【課題】電源切替装置において、転流信号を補正することなくデッドタイムによる電圧変動を完全になくす。【解決手段】負荷電流の極性を検出する電流極性検出器と、その出力を用いる電流転流信号生成器と、電圧源の電圧の大小関係を検知する電圧比較器と、その出力を用いる電圧転流信号生成器と、前記電流転流信号生成器の出力と前記電圧転流信号生成器の出力とを所定時間内で同じ割合となるように選択して双方向スイッチに出力する分担器で構成される電源切替装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単方向の電流をスイッチングできるスイッチング素子と該スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードとからなる逆導通スイッチを２個逆向きに直列接続して構成される複数の双方向スイッチと、該双方向スイッチのそれぞれの一方の端子にはそれぞれの電圧源が接続され、前記双方向スイッチのそれぞれの端子で該電圧源に接続されていない方は全て短絡され負荷に接続された構成であって、前記双方向スイッチの中で異なるスイッチング動作を行う２つの双方向スイッチをそれぞれ双方向スイッチＡと双方向スイッチＢとし、該双方向スイッチＡに接続されている前記電圧源を電圧源Ａとし、該双方向スイッチＢに接続されている前記電圧源を電圧源Ｂとし、該負荷に流れる電流の極性を検出する電流極性検出器と、該電流極性検出器の出力を入力して前記電圧源Ａと電圧源Ｂとが短絡することがなく前記負荷が前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂのどちらかに接続された状態を維持するように前記双方向スイッチＡの２つのスイッチング素子を制御する信号と前記双方向スイッチＢの２つのスイッチング素子を制御する信号とを生成して出力する電流転流信号生成器と、前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂの電圧の大小関係を検知する電圧比較器と、該電圧比較器の出力を入力して前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂとが短絡することがなく前記負荷が前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂのどちらかに接続された状態を維持するように前記双方向スイッチＡの２つのスイッチング素子を制御する信号と前記双方向スイッチＢの２つのスイッチング素子を制御する信号とを生成して出力する電圧転流信号生成器とからなる電源切替装置において、該電流転流信号生成器の出力と該電圧転流信号生成器の出力とを所定時間内で同じ割合となるように選択して前記双方向スイッチＡと前記双方向スイッチＢとに出力する分担器を具備することを特徴とする電源切替装置。
【請求項２】
単方向の電流をスイッチングできて逆方向の電流は阻止する逆阻止スイッチを２個逆並列に接続して構成される双方向スイッチとした請求項１記載の電源切替装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマトリックスコンバータのように複数の電圧源を切り替えて負荷に接続することで負荷の入力電圧を自由に制御できるようにした装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マトリックスコンバータは、３相電圧源と３相負荷とを９つの双方向スイッチで接続した構成であり、その双方向スイッチを制御することで任意の電圧を３相負荷に印加することが可能なだけでなく、電力回生や３相電圧源に流れる電流を力率１の正弦波とすることも容易に実現できる電力変換装置である。
【０００３】
マトリックスコンバータは双方向スイッチで負荷に接続する電圧源を切り替えることで負荷に印加する平均電圧を制御しているが、その切り替え（以下は転流と呼ぶ）時に、スイッチの動作遅れなどで切り替え対象の両電圧源を短絡したり負荷を開放しないようにするために、双方向スイッチを所定遅延時間だけ遅らせて順次オン・オフさせている。
【０００４】
図２は、その転流動作を説明するための回路図であり、２つの電圧源３１と３２と、それらにそれぞれ接続された双方向スイッチ（逆導通スイッチから成る双方向スイッチ）１と２と、それら双方向スイッチの他方に接続された負荷４と、負過電流ＩＬの極性を検出する電流極性検出器５と、その電流極性検出器の出力と転流指令Ｓとを入力して双方向スイッチの制御信号を出力する電流転流信号生成器８で構成されている。逆導通スイッチから成る双方向スイッチ１は逆導通スイッチ１１と１２が逆方向に直列に接続された構成であり、逆導通スイッチ１１と１２をそれぞれ制御する２つの制御信号Ｇａ１とＧａ２を入力している。逆導通スイッチから成る双方向スイッチ２も同様にその逆導通スイッチ２１と２２をそれぞれ制御する２つの制御信号Ｇｂ１とＧｂ２を入力している。
【０００５】
図５は、図２の回路において、負荷４に接続する電圧源を電圧Ｖａの電圧源３１から電圧Ｖｂの電圧源３２に切り替える際の転流シーケンスを表しており、電流転流信号生成器８で生成される各スイッチの制御信号の変化を表している。ｔ１時点以前では転流信号Ｓ＝Ｓａで逆導通スイッチから成る双方向スイッチ１をオンとし、逆導通スイッチから成る双方向スイッチ２をオフとする状態となっているため、逆導通スイッチから成る双方向スイッチ１の逆導通スイッチ１１と１２のそれぞれの制御信号Ｇａ１とＧａ２はともにオン状態であり、逆導通スイッチから成る双方向スイッチ２のそれら制御信号Ｇｂ１とＧｂ２はともにオフ状態であり、負荷４の電圧ＶＬは電圧源３１の電圧Ｖａとなっている。ｔ１時点で転流信号Ｓ＝Ｓｂと変化することで転流シーケンスが始まる。負過電流ＩＬが正の場合は、図５の左側に示されるように、ｔ１時点でまずＧａ１がオフとなり、デッドタイムｔｄ経過後のｔ２時点でＧｂ２がオンし、ｔｄ経過後のｔ３時点でＧａ２がオフし、ｔｄ経過後のｔ４時点でＧｂ１がオンすることで転流完了となる。このようにデッドタイムｔｄを設けて順次オン・オフさせるのは、スイッチの動作遅れなどにより電圧源が短絡したり負荷が開放したりしないようにするためである。負荷の電圧が実際に切り替わるのはＶａ＞Ｖｂの場合にｔ３時点であり、Ｖａ＜Ｖｂの場合はｔ２時点となる。
【０００６】
負荷電流ＩＬが負の場合は、図５右側に示された転流シーケンスとなり、負荷の電圧が実際に切り替わるのはＶａ＞Ｖｂの場合にｔ２時点であり、Ｖａ＜Ｖｂの場合はｔ３時点となる。
【０００７】
つまり、ｔ２からｔ３までの間の負荷電圧は負荷電流の極性に依存して、ＩＬ＞０の場合は高い方の電圧源電圧となり、ＩＬ＜０の場合は低い方の電圧源電圧となる。
【０００８】
図３は、図２とは異なる方法による転流動作を説明するための回路図である。図２と異なる点は、電流極性検出器５の代わりに電圧源３１の電圧Ｖａと電圧源３２の電圧Ｖｂとの大小関係を検知して出力する電圧比較器６となり、電流転流信号生成器８の代わりに電圧比較器６の出力と転流指令Ｓとを入力して双方向スイッチの制御信号を出力する電圧転流信号生成器７となっている点である。
【０００９】
図６は、図３の回路において、負荷４に接続する電圧源を電圧Ｖａの電圧源３１から電圧Ｖｂの電圧源３２に切り替える際の転流シーケンスを表しており、電圧転流信号生成器７で生成される各スイッチの制御信号の変化を表している。ｔ１時点以前では転流信号Ｓ＝Ｓａで双方向スイッチ１をオンとし双方向スイッチ２をオフとする状態となっているため、双方向スイッチ１の逆導通スイッチ１１と１２のそれぞれの制御信号Ｇａ１とＧａ２はともにオン状態であり、双方向スイッチ２のそれら制御信号Ｇｂ１とＧｂ２はともにオフ状態であり、負荷４の電圧ＶＬは電圧源３１の電圧Ｖａとなっている。ｔ１時点で転流信号Ｓ＝Ｓｂと変化することで転流シーケンスが始まる。Ｖａ＞Ｖｂの場合は、図６の左側に示されるように、ｔ１時点でまずＧｂ２がオンとなり、デッドタイムｔｄ経過後のｔ２時点でＧａ２がオフし、ｔｄ経過後のｔ３時点でＧｂ１がオンし、ｔｄ経過後のｔ４時点でＧａ１がオフすることで転流完了となる。このようにデッドタイムｔｄを設けて順次オン・オフさせるのは、スイッチの動作遅れなどにより電圧源が短絡したり負荷が開放したりしないようにするためである。負荷の電圧が実際に切り替わるのはＩＬ＞０の場合にｔ２時点であり、ＩＬ＜０の場合はｔ３時点となる。
【００１０】
Ｖａ＜Ｖｂの場合は、図６右側に示された転流シーケンスとなり、負荷の電圧が実際に切り替わるのはＩＬ＞０の場合にｔ３時点であり、ＩＬ＜０の場合はｔ２時点となる。
【００１１】
つまり、ｔ２からｔ３までの間の負荷電圧は負荷電流の極性に依存して、ＩＬ＜０の場合は高い方の電圧源電圧となり、ＩＬ＞０の場合は低い方の電圧源電圧となる。
【００１２】
図２に示した負荷電流の極性に依存した電流転流信号生成器を使用した場合でも、図３に示した電源電圧の大小関係による電圧転流信号生成器を使用した場合でも、負荷電流の極性に応じて転流時のデッドタイムだけ負荷電圧が左右されることから、負荷電流の極性に応じて前もってデッドタイムによる負荷の電圧変動分を補正した転流信号Ｓを生成して、負荷に所望の電圧が印加されるようにする手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−２０７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
解決しようとする問題点は、デッドタイムによる負荷電圧変動分を転流信号タイミングを修正することで補正できるが、その為には正確なデッドタイムを知る必要がある。しかし、実際のデッドタイムは信号を絶縁伝達するフォトカプラやスイッチング素子の動作遅延時間に応じて変化するため、正確に把握することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明によれば、単方向の電流をスイッチングできるスイッチング素子と該スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードとからなる逆導通スイッチを２個逆向きに直列接続して構成される複数の双方向スイッチと、該双方向スイッチのそれぞれの一方の端子にはそれぞれの電圧源が接続され、前記双方向スイッチのそれぞれの端子で該電圧源に接続されていない方は全て短絡され負荷に接続された構成であって、前記双方向スイッチの中で異なるスイッチング動作を行う２つの双方向スイッチをそれぞれ双方向スイッチＡと双方向スイッチＢとし、該双方向スイッチＡに接続されている前記電圧源を電圧源Ａとし、該双方向スイッチＢに接続されている前記電圧源を電圧源Ｂとし、該負荷に流れる電流の極性を検出する電流極性検出器と、該電流極性検出器の出力を入力して前記電圧源Ａと電圧源Ｂとが短絡することがなく前記負荷が前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂのどちらかに接続された状態を維持するように前記双方向スイッチＡの２つのスイッチング素子を制御する信号と前記双方向スイッチＢの２つのスイッチング素子を制御する信号とを生成して出力する電流転流信号生成器と、前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂの電圧の大小関係を検知する電圧比較器と、該電圧比較器の出力を入力して前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂとが短絡することがなく前記負荷が前記電圧源Ａと前記電圧源Ｂのどちらかに接続された状態を維持するように前記双方向スイッチＡの２つのスイッチング素子を制御する信号と前記双方向スイッチＢの２つのスイッチング素子を制御する信号とを生成して出力する電圧転流信号生成器とからなる電源切替装置において、
該電流転流信号生成器の出力と該電圧転流信号生成器の出力とを所定時間内で同じ割合となるように選択して前記双方向スイッチＡと前記双方向スイッチＢとに出力する分担器を具備することを特徴とする電源切替装置である。
【００１６】
請求項２の発明によれば、単方向の電流をスイッチングできて逆方向の電流は阻止する逆阻止スイッチを２個逆並列に接続して構成される双方向スイッチとした請求項１記載の電源切替装置である。
【００１７】
すなわち、本発明は、前記問題点を解決するために、デッドタイムによる負荷電圧変動分を転流信号タイミングを修正することで補正するのではなく、電流転流信号生成器の出力と電圧転流信号生成器の出力とを所定時間内で同じ割合となるように選択して各双方向スイッチに出力する分担器を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、転流信号タイミングを修正することでデッドタイムによる負荷電圧変動分を補正しないので、その修正に必要な実際のデッドタイムを必要としないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の転流動作を示した説明図である。（実施例１）
【図２】電流転流信号生成器を用いた転流動作を説明するための回路図である。
【図３】電圧転流信号生成器を用いた転流動作を説明するための回路図である。
【図４】逆阻止スイッチによる双方向スイッチを示した説明図である。
【図５】図２の回路において、負荷４に接続する電圧源を電圧Ｖａの電圧源３１から電圧Ｖｂの電圧源３２に切り替える際の転流シーケンスを示した説明図である。
【図６】図３の回路において、負荷４に接続する電圧源を電圧Ｖａの電圧源３１から電圧Ｖｂの電圧源３２に切り替える際の転流シーケンスを示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図２に示した電流転流信号生成器と図３に示した電圧転流信号生成器は、従来技術においてはどちらか一方のみしか必要としなかったが、本発明では両方を具備し、両方の出力を所定時間内で同じ割合となるように選択して出力する分担器を具備する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の１実施例の回路図であって、電流極性検出器５と電流転流信号生成器８と電圧比較器６と電圧転流信号生成器７とを同時に具備し、電流転流信号生成器８の出力のスイッチング信号Ｇａ１ｉ、Ｇａ２ｉ、Ｇｂ１ｉ、Ｇｂ２ｉと電圧転流信号生成器７とを同時に具備し、電流転流信号生成器８の出力のスイッチング信号Ｇａ１ｖ、Ｇａ２ｖ、Ｇｂ１ｖ、Ｇｂ２ｖとを選択して双方向スイッチ１と２に出力する分担器９とで構成されている。
【００２２】
前述したように転流時のデッドタイム期間における負荷電圧は、電流転流信号生成器８の出力信号を用いた転流では、ＩＬ＞０の場合は高い方の電圧源電圧となり、ＩＬ＜０の場合は低い方の電圧源電圧となる。一方、電圧転流信号生成器７の出力信号を用いた転流では、転流時のデッドタイム期間における負荷電圧は、ＩＬ＜０の場合は高い方の電圧源電圧となり、ＩＬ＞０の場合は低い方の電圧源電圧となる。つまり、電流転流信号生成器８の場合と電圧転流信号生成器７の場合では完全に逆の特性となることから、分担器９により両者の信号を例えば交互に使用することで、負荷電圧の変動分をキャンセルすることが可能となる。分担器９は、完全に交互に選択する必要はなく、出力電流の極性や電源電圧の大小関係が変化せずに出力電圧変動の影響がないくらいの短い時間内において、両者の選択割合を等しくするようにすればよい。
【００２３】
本発明は、図１に示された逆導通スイッチ１１、１２、２１、２２を用いた逆導通スイッチから成る双方向スイッチ１、２の代わりに、図４に示されている逆阻止スイッチ４０１、４０２を逆並列に接続した構成の双方向スイッチ（逆阻止スイッチから成る双方向スイッチ）４０を用いた回路でも同様に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
正確に把握することは困難なデッドタイムを用いて転流信号を補正することなく完全にデッドタイム期間による負荷電圧変動を抑制することが可能となり、負荷電圧を正確に制御することができるようになり、より高精度な電力変換器を得ることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１、２                  逆導通スイッチから成る双方向スイッチ
３１、３２              電圧源
１１、１２、２１、２２  逆導通スイッチ
４                      負荷
５                      電流極性検出器
６                      電圧比較器
７                      電圧転流信号生成器
８                      電流転流信号生成器
９                      分担器
４０                    逆阻止スイッチから成る双方向スイッチ
４０１、４０２          逆阻止スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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