(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（任意の正の整数）相の交流入力を任意の周波数のＭ（任意の正の整数）相の交流出力に変換する直接周波数変換回路であって、
２つのダイオードを直列接続した第１，第２，第３のダイオード直列回路を互いに並列接続してなる交流スイッチ回路（ＡＣスイッチ回路）を交流入力側にＮ個、２つのダイオードを直列接続した第４，第５，第６のダイオード直列回路を互いに並列接続してなるＡＣスイッチ回路を交流出力側にＭ個それぞれ設置し、前記第２，第５のダイオード直列回路における一方のダイオードと、前記第３，第６のダイオード直列回路における他方のダイオードに、それぞれスイッチング素子を逆並列接続し、
前記第１のダイオード直列回路のダイオード接続点には入力相を、前記第４のダイオード直列回路のダイオード接続点には出力相をそれぞれ接続し、
かつ、前記第２，第５のダイオード直列回路のダイオード接続点同士を相互に接続し、さらに、第３と第６のダイオード直列回路のダイオード接続点同士を相互に接続したことを特徴とする直接周波数変換回路。
【請求項２】
前記第１ダイオード直列回路の各ダイオードに、スイッチング素子を逆並列にそれぞれ接続し、低力率負荷にも対応可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の直接周波数変換回路。
【請求項３】
前記第１ダイオード直列回路のダイオード接続点と入力相間にリアクトルを接続し、入力電圧よりも高い電圧を出力可能にしたことを特徴とする請求項２に記載の直接周波数変換回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流中間回路が不要で、入力交流電流を高力率で正弦波化することが可能な、Ｎ（任意の正の整数）相の交流入力から任意の周波数のＭ（任意の正の整数）相の交流出力を得る電源装置としての、いわゆるＡＣ／ＡＣ変換器とも称される直接周波数変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７にこの種の従来例を示す。
この回路はマトリックスコンバータと呼ばれ、例えばスイッチＳＲ１，ＳＳ２をオンさせることにより、入力側ＲＳ間の線間電圧が出力側ＵＶ間の線間電圧に分配される。このようなスイッチングを繰り返すことにより、入力力率を高力率に保ちながら入力電流の正弦波化，出力波形の正弦波化，３相の交流電圧から任意の周波数の３相交流電圧に変換する直接周波数変換動作などを実現する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなマトリックスコンバータには、
イ）スイッチとして、通常のスイッチング素子を組み合わせた図７（ｃ），（ｄ）に示すような双方向スイッチを使用しなければならない。
ロ）双方向スイッチは双方向の電流を遮断するため、構成が複雑なクランプ回路や双方向のスナバ回路を用いて素子を保護しなければならない。
ハ）スナバ回路で蓄えたエネルギーを抵抗に放電して処理するため、効率が悪化する。上記エネルギーを有効利用するためには特別の回生回路が必要となる。
ニ）入力電圧よりも低い電圧（降圧）しか出力できない。
などの問題がある。
したがって、この発明の課題は、双方向スイッチを使用することなく、入力電圧よりも高い電圧の出力も可能とすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、Ｎ（任意の正の整数）相の交流入力を任意の周波数のＭ（任意の正の整数）相の交流出力に変換する直接周波数変換回路であって、
２つのダイオードを直列接続した第１，第２，第３のダイオード直列回路を互いに並列接続してなる交流スイッチ回路（ＡＣスイッチ回路）を交流入力側にＮ個、２つのダイオードを直列接続した第４，第５，第６のダイオード直列回路を互いに並列接続してなるＡＣスイッチ回路を交流出力側にＭ個それぞれ設置し、前記第２，第５のダイオード直列回路における一方のダイオードと、前記第３，第６のダイオード直列回路における他方のダイオードに、それぞれスイッチング素子を逆並列接続し、
前記第１のダイオード直列回路のダイオード接続点には入力相を、前記第４のダイオード直列回路のダイオード接続点には出力相をそれぞれ接続し、
かつ、前記第２，第５のダイオード直列回路のダイオード接続点同士を相互に接続し、さらに、第３と第６のダイオード直列回路のダイオード接続点同士を相互に接続するようにしている。
上記請求項１の発明では、前記第１ダイオード直列回路の各ダイオードに、スイッチング素子を逆並列にそれぞれ接続し、低力率負荷にも対応可能にすることができる（請求項２の発明）。また、この請求項２の発明では、前記第１ダイオード直列回路のダイオード接続点と入力相間にリアクトルを接続し、入力電圧よりも高い電圧を出力可能にすることができる（請求項３の発明）。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
この変換回路は、入力相Ｒ，Ｓ，Ｔに３個、出力相Ｕ，Ｖ，Ｗに３個の交流（ＡＣ）スイッチ回路をそれぞれ接続して構成されているが、一般的には入力をＮ（任意の正の整数）相、出力をＭ（任意の正の整数）相とすることができる。
入力相のＡＣスイッチ回路はダイオードＲ１とＲ４（Ｓ１とＳ４，Ｔ１とＴ４）の直列回路、ダイオードの直列回路にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２を逆並列接続したものと、ダイオードの直列回路にスイッチング素子Ｒ６，Ｓ６，Ｔ６を逆並列接続したものとが互いに並列に接続されて構成されている。なお、ＳＲ（ＳＳ，ＳＴ）はスナバ回路である。
【０００６】
出力相のＡＣスイッチ回路も上記と同様に、ダイオードの直列回路の各ダイオードと逆並列にそれぞれスイッチング素子Ｕ３，Ｕ６（Ｖ３とＶ６，Ｗ３とＷ６）を接続したものと、ダイオードの直列回路にスイッチング素子Ｕ２（Ｖ２，Ｗ２）を逆並列接続したものと、ダイオードの直列回路にスイッチング素子Ｕ４（Ｖ４，Ｗ４）を逆並列接続したものと、が互いに並列に接続されて構成されている。なお、ＳＵ（ＳＶ，ＳＷ）はスナバ回路である。
【０００７】
その動作について、図２を参照して説明する。なお、同図において、Ｒ，Ｓ，Ｔはそれぞれ入力相および入力相電圧を示す。また、スイッチ素子Ｒ２とＲ６は図示のような入力電圧Ｒ相と同期したスイッチングパターンで駆動する。スイッチ素子Ｓ２とＳ６，Ｔ２とＴ６も同様にＳ相，Ｔ相と同期したスイッチングパターンでそれぞれ駆動する。一方、スイッチ素子Ｕ３とＵ６の制御信号は、出力指令波形Ｕとキャリア信号ＣＲとを比較することにより生成される。同様に、Ｖ３とＶ６の制御信号，Ｗ３とＷ６の制御信号は、出力指令波形Ｖ，Ｗとキャリア信号ＣＲとをそれぞれ比較することにより生成される。
【０００８】
いま、図１で例えばスイッチ素子Ｒ２とＳ６およびＵ３とＶ６がそれぞれオンしているとすると、Ｒ→Ｒ１→Ｒ２→Ｕ２→Ｕ３→Ｕ→Ｖ→Ｖ６→Ｖ４→Ｓ６→Ｓ４→Ｓ→Ｒの経路で、入力線間ＲＳ間の電圧が出力線間ＵＶ間に印加され、かかる動作を繰り返すことにより、入力周波数の交流電圧を任意の周波数の交流電圧に直接周波数変換することが可能となる。また、入力電流は入力相に接続されたＡＣスイッチ回路で制御され、入力力率「１」を保ちながら入力電流の正弦波化を実現している。同時に出力波形は出力相に接続されたＡＣスイッチ回路で制御され、出力波形の正弦波化を実現する。
【０００９】
スナバ回路ＳＲ，ＳＳ，ＳＴ，ＳＵ，ＳＶ，ＳＷは常に同一方向の電圧でクランプされるため、スナバ回路としては構成が簡単なＤＣスナバ回路を用いることができる。また、スナバ回路に蓄積されたエネルギーは、特別な回生回路を付加することなく、既存のスイッチを使用して回生することができる。例えば、スイッチ素子Ｕ３とＶ６がオンしているときに、スイッチ素子Ｒ２とＲ６を同時にオンさせることにより、スナバ回路ＳＲ→Ｒ２→Ｕ２→Ｕ３→Ｕ→Ｖ→Ｖ６→Ｖ４→Ｒ６→スナバ回路ＳＲの経路で、スナバエネルギーを回生することができる。Ｓ相およびＴ相に接続されたＡＣスイッチのスナバ回路も同様に、上下アームのスイッチ素子を同時にオンさせることで、スナバエネルギーを回生することができる。例えば、スイッチ素子Ｕ３とＶ６がオンしているときに、Ｕ４をオンすることにより、スナバ回路ＳＵ→Ｕ３→Ｕ→Ｖ→Ｖ６→Ｖ４→Ｕ４→スナバ回路ＳＵの経路で、スナバエネルギーを回生することができる。
なお、上記スイッチ素子はいずれも双方向スイッチではなく、通常のスイッチである。
【００１０】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す回路図、図４はその動作説明図である。
図３からも明らかなように、この例は図１の入力側のＡＣスイッチ回路を、出力側のＡＣスイッチ回路と対称に構成した点が特徴である。こうすることで、負荷の力率が１でなく、負荷電圧と負荷電流の極性が異なる場合でも、負荷電流を連続的に流すことが可能となる。例えば、図３でスイッチ素子Ｒ２とＳ６およびＵ３とＶ６がオンしているときに、入力線間ＲＳ間の電圧が出力線間ＵＶ間に印加される。このとき、負荷電圧と逆方向の電流はスイッチ素子Ｒ１とＳ４およびＵ２とＶ４をオンすることにより、Ｖ→Ｕ→Ｕ３→Ｕ２→Ｒ２→Ｒ１→Ｒ→Ｓ→Ｓ４→Ｓ６→Ｖ４→Ｖ６→Ｖの経路で通流することができる。このように、各ＡＣスイッチ回路の同側アームを同一の制御信号でオンさせることにより、負荷の力率が１でない場合でも、負荷電流を連続的に流すことができる。
【００１１】
図５はこの発明の第３の実施の形態を示す回路図、図６はその動作説明図である。
これは図３に示すものに対し、入力相とＡＣスイッチ回路間にリアクトルＬＲ，ＬＳ，ＬＴを接続した点が特徴で、これにより、入力電圧よりも高い電圧を出力することができる。
いま、図６に示すように、Ｒ相の６０〜１２０度区間ではスイッチ素子Ｒ１，Ｒ２をオンとし、Ｓ１，Ｓ２またはＴ１，Ｔ２は一定のデューティでオンにすると、この区間では電圧の１番高いＲ相からＳ相またはＴ相に電流が流れる。例えば、Ｒ１，Ｒ２およびＳ１，Ｓ２がオンすることにより、電流はＲ→ＬＲ→Ｒ１→Ｒ２→Ｓ２→Ｓ１→ＬＳ→Ｓ→Ｒの経路で電流が流れ、ＬＲとＬＳにエネルギーが蓄えられる。
【００１２】
ここで、図５においてスイッチＳ１とＳ２をオフしＳ４とＳ６をオンすると、ＬＲとＬＳに蓄えられたエネルギーは負荷へ供給される。例えば、その際Ｕ３とＶ６がオンしているとすると、電流はＲ→ＬＲ→Ｒ１→Ｒ２→Ｕ２→Ｕ３→Ｕ→Ｖ→Ｖ６→Ｖ４→Ｓ６→Ｓ４→ＬＳ→Ｓ→Ｒの経路で電流が流れ、ＬＲとＬＳに蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。よって、これらの区間では、リアクトルＬＲ，ＬＳ，ＬＴで蓄えたエネルギーを負荷へ転流させるため、図６のようにＳ１とＳ２の反転信号でＳ４とＳ６をオンし、Ｔ１とＴ２の反転信号でＴ４とＴ６をオンする。さらに、その他の区間においても同様な方法で、スイッチ素子を制御する。
【００１３】
一方、出力側のスイッチ素子は出力指令波形Ｕ，Ｖ，Ｗと同期して上アームの素子Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３のうち必ず１つがオンし、かつ、下アームの素子Ｕ６，Ｖ６，Ｗ６のうち必ず１つがオンしているという条件で決定され、また、負荷の力率が低い場合は、負荷電圧と逆方向の電流が流れる経路を確保することが必要となる。ここで、例えばＲ１，Ｒ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｕ３，Ｖ６がオンしており、Ｒ→ＬＲ→Ｒ１→Ｒ２→Ｕ２→Ｕ３→Ｕ→Ｖ→Ｖ６→Ｖ４→Ｓ６→Ｓ４→ＬＳ→Ｓ→Ｒの経路で入力ＲＳ間の電圧が出力線間ＵＶ間に印加されているときに、出力電圧とは逆方向の電流はＵ２とＶ４をオンすることによって、電圧とは逆の経路で環流させることができる。よって、Ｕ２，Ｕ４，Ｖ２，Ｖ４，Ｗ２，Ｗ４の制御信号はそれぞれＵ３，Ｕ６，Ｖ３，Ｖ６，Ｗ３，Ｗ６と同様な信号で制御される。このような手法により、入力線間電圧とリアルトル両端間の電圧の和が出力線間電圧に印加され、入力電圧よりも高い電圧を出力することができる。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、入力相と出力相にＡＣスイッチ回路を適宜配置するだけで、双方向スイッチを用いず、しかも構成を複雑化することなく、低力率負荷にも適用でき、かつ、入力電圧よりも高い電圧を得ることができる、などの利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図４】図３の動作説明図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図６】図５の動作説明図である。
【図７】従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｒ，Ｓ，Ｔ…入力相および入力相電圧、Ｕ，Ｖ，Ｗ…出力相および出力指令波形、ＣＲ…キャリア信号、ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ…リアクトル、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６…スイッチング素子またはダイオード若しくは制御パターン、ＳＲ，ＳＳ，ＳＴ，ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ…スナバ回路、ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３，ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３…双方向スイッチ。
【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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【図７】
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