(57)【要約】【課題】起動、停止時などの過渡運転時や定常運転時に、交流相電圧の変動を抑制することができる３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置を提供する。【解決手段】コンデンサＣ１，Ｃ２を直列接続した１つの直流電圧源を備え、正極側、負極側のスイッチング素子Ｓ1U，Ｓ4Uと中性点側のスイッチング素子Ｓ2U，Ｓ3Uによって構成された電力変換部（１００）を三相交流分備え、前記各スイッチング素子を、ゲート信号によってオン、オフ制御することによって前記スイッチング素子Ｓ1U，Ｓ4Uの共通接続点と中性点Ｎとの間に３レベルの電圧を出力させる制御部を備えた三相の３レベルＴ型ＮＰＣコンバータにおいて、前記制御部は、前記各相の各スイッチング素子のゲート信号状態を遷移させるときは、１つのスイッチング素子のみ異なるゲート信号状態への遷移を許可する。【選択図】図５
2014176281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを直列接続した１つの直流電圧源を備え、
前記直流電圧源の正極端と負極端の間に順次直列接続された正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子と、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの共通接続点である中性点と、前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続され、互いに逆の耐圧方向に制御できる第１の中性点側スイッチング素子および第２の中性点側スイッチング素子と、によって構成された電力変換部を、単相交流分備えるか、又は三相交流分備え、
前記電力変換部の前記各スイッチング素子を、ゲート信号によってオン、オフ制御することによって前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点と前記中性点との間に３レベルの電圧を出力させる制御手段を備えた単相又は三相の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置であって、
前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のゲート信号状態を遷移させるときは、１つのスイッチング素子のみ異なるゲート信号状態への遷移を許可することを特徴とする３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、零電圧レベルを出力させる第１のゲート信号状態と、−Ｅの電圧レベルを出力させる第２のゲート信号状態と、＋Ｅの電圧レベルを出力させる第３のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第４のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第５のゲート信号状態と、を有したスイッチングパターンを備え、
定常運転時は、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、前記各スイッチング素子をすべてオフとする第６のゲート信号状態をさらに有し、
起動時、停止時を含む過渡運転時は、前記第３のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第２のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置。
【請求項４】
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを直列接続した１つの直流電圧源を備え、
前記直流電圧源の正極端と負極端の間に順次直列接続された正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子と、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの共通接続点である中性点と、前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続され、互いに逆の耐圧方向に制御できる第１の中性点側スイッチング素子および第２の中性点側スイッチング素子と、によって構成された電力変換部を、単相交流分備えるか、又は三相交流分備え、
前記電力変換部の前記各スイッチング素子を、ゲート信号によってオン、オフ制御することによって前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点と前記中性点との間に３レベルの電圧を出力させる制御手段を備えた単相又は三相の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法であって、
前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のゲート信号状態を遷移させるときは、１つのスイッチング素子のみ異なるゲート信号状態への遷移を許可することを特徴とする３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、零電圧レベルを出力させる第１のゲート信号状態と、−Ｅの電圧レベルを出力させる第２のゲート信号状態と、＋Ｅの電圧レベルを出力させる第３のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第４のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第５のゲート信号状態と、を有したスイッチングパターンを備え、
定常運転時は、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法。
【請求項６】
前記制御手段は、
前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、前記各スイッチング素子をすべてオフとする第６のゲート信号状態をさらに有し、
起動時、停止時を含む過渡運転時は、前記第３のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第２のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３レベルＴ型ＮＰＣ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｐｏｉｎｔ  Ｃｌａｍｐｅｄ）電力変換装置のゲート信号制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置には、（１）直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、（２）交流電圧を直流電圧に変換するコンバータなどがある。図５、図６に、直流電圧を３レベルの交流相電圧に変換する３レベルＴ型ＮＰＣインバータの代表回路構成を、図７、図８に、交流電圧を直流電圧に変換する３レベルＴ型ＮＰＣコンバータの代表回路構成を各々示す。
【０００３】
図５〜図８において、Ｃ１，Ｃ２は直流電圧源として直列接続されたコンデンサ（直流電圧平滑用コンデンサ）である。コンデンサＣ１の一端を正極端ＶDCPとし、コンデンサＣ２の一端を負極端ＶDCNとし、コンデンサＣ１、Ｃ２の他端どうしの共通接続点を中性点Ｎとしている。
【０００４】
前記正極端ＶDCPと負極端ＶDCNの間には、正極側スイッチング素子Ｓ1Uおよび負極側スイッチング素子Ｓ4Uが順次直列に接続されている。
【０００５】
前記中性点Ｎと前記スイッチング素子Ｓ1UおよびＳ4Uの共通接続点との間には、第１の中性点側スイッチング素子Ｓ2Uおよび第２の中性点側スイッチング素子Ｓ3Uが、互いに逆の耐圧方向に制御できる方向に直列接続されている。
【０００６】
前記スイッチング素子Ｓ1U〜Ｓ4Uによって１つの電力変換部（１００）が構成され、直流電圧源である前記コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路に対して、図５、図７では三相分の電力変換部１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗが、図６、図８では単相分の電力変換部１００Ｕ，１００Ｖが各々設けられている。
【０００７】
したがって、Ｕ相の電力変換部１００Ｕはスイッチング素子Ｓ1U〜Ｓ4Uにより構成され、前記スイッチング素子Ｓ1UおよびＳ4Uの共通接続点がＵ相端子ＶACUに接続され、Ｖ相の電力変換部１００Ｖはスイッチング素子Ｓ1V〜Ｓ4Vにより構成され、前記スイッチング素子Ｓ1VおよびＳ4Vの共通接続点がＶ相端子ＶACVに接続され、Ｗ相の電力変換部１００Ｗはスイッチング素子Ｓ1W〜Ｓ4wにより構成され、前記スイッチング素子Ｓ1WおよびＳ4Wの共通接続点がＷ相端子ＶACWに接続されている。
【０００８】
また図５、図６の３レベルＴ型ＮＰＣインバータでは、前記正極端ＶDCPおよび負極端ＶDCNの間に電圧２Ｅの直流電源（図示省略）が接続され、各相端子ＶACU，ＶACV，ＶACW間又はＶACU，ＶACV間にモータなどの交流負荷（図示省略）が接続される。
【０００９】
図７の３相３レベルＴ型ＮＰＣコンバータでは、三相交流電源２００ａがリアクトルＬＦとコンデンサＣＦから成るフィルタ回路３００ａを介して各相端子ＶACU，ＶACV，ＶACWに接続され、正極端ＶDCPおよび負極端ＶDCNの間には直流負荷４００が接続されている。
【００１０】
図８の単相３レベルＴ型ＮＰＣコンバータでは、単相交流電源２００ｂがリアクトルＬＦとコンデンサＣＦから成るフィルタ回路３００ｂを介して各相端子ＶACU，ＶACVに接続され、正極端ＶDCPおよび負極端ＶDCNの間には直流負荷４００が接続されている。
【００１１】
図５〜図８の前記各スイッチング素子Ｓ1U〜Ｓ4U，Ｓ1v〜Ｓ4v，Ｓ1w〜Ｓ4wを図示省略の制御部によってオン、オフ制御することにより、中性点Ｎと各相端子ＶACU，ＶACV，ＶACWの間に３レベルの電圧が出力されるものである。
【００１２】
図５〜図８において、ＶDCP，ＶDCNは正極端ＶDCP、負極端ＶDCNの端子電圧、ＶACU，ＶACV，ＶACWは各相端子および交流相電圧を表している。前記各スイッチング素子Ｓ1U〜Ｓ4U，Ｓ1v〜Ｓ4v，Ｓ1w〜Ｓ4wは、ゲート信号によってオン、オフ可能なＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子および逆並列接続ダイオードによって構成されるスイッチングデバイスである。
【００１３】
尚、従来の３レベルインバータの制御方式として、例えば特許文献１、２に記載のものが提案されていた。
【００１４】
ここで、以下の説明では、前記各スイッチング素子Ｓ1U，Ｓ1V，Ｓ1Wをスイッチング素子Ｓ1＊、スイッチング素子Ｓ2U，Ｓ2V，Ｓ2Wをスイッチング素子Ｓ2＊、スイッチング素子Ｓ3U，Ｓ3V，Ｓ3Wをスイッチング素子Ｓ3＊、スイッチング素子Ｓ4U，Ｓ4V，Ｓ4Wをスイッチング素子Ｓ4＊と表記し、各相端子および交流相電圧ＶACU，ＶACV，ＶACWをＶAC＊と表記し、交流相電流ＩACU，ＩACV，ＩACWをＩAC＊と表記し、前記各＊に、相を表すＵ，Ｖ，Ｗが代入されるものとする。
【００１５】
一般的な２レベル電力変換装置と同様に３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置においても、スイッチング素子のオンもしくはオフの状態の遷移時に、直流電圧源の短絡防止のためゲート信号にデッドタイム期間を設ける必要がある。従来の２レベル電力変換装置では、デッドタイム期間の生成をキャリア比較後のゲート信号の立ち上がり時の遅延処理により行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第３０８４６４５号公報
【特許文献２】特開２００９−２７８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図５〜図８に示す３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置に、前記デッドタイム期間を生成する処理を拡張する場合、指令値、キャリアと各スイッチング素子のゲート信号の関係を示す図９のように、スイッチング素子Ｓ1＊とＳ3＊、Ｓ2＊とＳ4＊を排他的にオンさせることで、直流電圧源に相当するコンデンサＣ１およびＣ２の上下短絡を防止できる。
【００１８】
したがって、スイッチング素子Ｓ1＊とＳ3＊（あるいはＳ2＊とＳ4＊）を同時にオフさせる期間を設けることで、デッドタイム期間を生成する。図９の（２）がデッドタイム期間に相当する。
【００１９】
このデッドタイム期間の生成方式では、図９に示すような指令値の急変によりゲート信号が変化した場合に交流相電圧ＶAC＊（端子ＶAC＊〜中性点Ｎ間の電圧）の変動が発生する。その動作について以下に説明する。
【００２０】
図９中の上側キャリアでは、指令値がキャリア以上の場合はＳ1＊がオンでＳ3＊がオフするように制御し、指令値がキャリア未満の場合はＳ1＊がオフでＳ3＊がオンするように制御する。同様に、下側キャリアでは、指令値がキャリア以上の場合はＳ2＊がオンでＳ4＊がオフするように制御し、指令値がキャリア未満の場合はＳ2＊がオフでＳ4＊がオンするように制御する。
【００２１】
図９に示すように、指令値が上側キャリア以上の状態から下側キャリア未満に急変した場合、Ｓ1＊とＳ2＊がオンの状態である（１）から、デッドタイム期間としての全てのゲート信号がオフの状態である（２）を介して、Ｓ3＊とＳ4＊がオンの状態である（３）へと遷移する。（２）の期間は、ゲート信号の立ち上がりに対して遅延を挿入することで発生している期間である。
【００２２】
ゲート信号制御による電流経路の変化を示す図１０では、図９の（１）、（２）、（３）における電流の向きによる交流相電圧ＶAC＊を表し、１つの相の電力変換部のスイッチング素子について示している。図中の点線矢印は電流を示しており、中性点Ｎから各相端子ＶAC＊へ流れる向きを＋、各相端子ＶAC＊から中性点Ｎへ流れる向きを−とする。
（１）の状態では、電流の向きによらず交流相端子ＶAC＊はＥを出力する。
（２）の状態では、電流の向きが＋の場合は−Ｅを、電流の向きが−の場合は＋Ｅを出力する。
（３）の状態では、電流の向きによらず交流相端子ＶAC＊は−Ｅを出力する。
【００２３】
電流の向きが＋場合では（１）から（２）へ切り替わる際に交流相電圧ＶAC＊がＥから−Ｅへ変化する。
【００２４】
このように、従来のゲート出力の遅延処理によるデッドタイム作成方式では、指令値の急変時に交流相電圧ＶAC＊の変動が直流電圧２Ｅ分変化することがある。
【００２５】
電力変換装置がインバータの場合、交流相電圧ＶAC＊の変動分が大きいほど、モータなどの交流負荷に印加される電圧サージが高くなる。この電圧サージによって、負荷の絶縁寿命を短縮させるという問題点があった。
【００２６】
電力変換装置がコンバータの場合、交流相電圧ＶAC＊の変動分が大きいほど、電源とコンバータ間に挿入されているフィルタ回路のリアクトルＬＦとコンデンサＣＦに印加される電圧サージが高くなる。この電圧サージによって、フィルタ回路の絶縁寿命を短縮させるという問題点があった。
【００２７】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、起動、停止時などの過渡運転時や定常運転時に、交流相電圧の変動を抑制することができる３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置および制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記課題を解決するための請求項１に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置は、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを直列接続した１つの直流電圧源を備え、前記直流電圧源の正極端と負極端の間に順次直列接続された正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子と、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの共通接続点である中性点と、前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続され、互いに逆の耐圧方向に制御できる第１の中性点側スイッチング素子および第２の中性点側スイッチング素子と、によって構成された電力変換部を、単相交流分備えるか、又は三相交流分備え、前記電力変換部の前記各スイッチング素子を、ゲート信号によってオン、オフ制御することによって前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点と前記中性点との間に３レベルの電圧を出力させる制御手段を備えた単相又は三相の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置であって、前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のゲート信号状態を遷移させるときは、１つのスイッチング素子のみ異なるゲート信号状態への遷移を許可することを特徴としている。
【００２９】
また、請求項４に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法は、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを直列接続した１つの直流電圧源を備え、前記直流電圧源の正極端と負極端の間に順次直列接続された正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子と、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの共通接続点である中性点と、前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続され、互いに逆の耐圧方向に制御できる第１の中性点側スイッチング素子および第２の中性点側スイッチング素子と、によって構成された電力変換部を、単相交流分備えるか、又は三相交流分備え、前記電力変換部の前記各スイッチング素子を、ゲート信号によってオン、オフ制御することによって前記正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子の共通接続点と前記中性点との間に３レベルの電圧を出力させる制御手段を備えた単相又は三相の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法であって、前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のゲート信号状態を遷移させるときは、１つのスイッチング素子のみ異なるゲート信号状態への遷移を許可することを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、ゲート信号状態遷移時は、１つのスイッチング素子のみ異なるゲート信号状態へ遷移するので、交流相電圧の変動を抑制することができる。
【００３１】
また、請求項２に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置は、請求項１において、前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、零電圧レベルを出力させる第１のゲート信号状態と、−Ｅの電圧レベルを出力させる第２のゲート信号状態と、＋Ｅの電圧レベルを出力させる第３のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第４のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第５のゲート信号状態と、を有したスイッチングパターンを備え、定常運転時は、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴としている。
【００３２】
また、請求項５に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法は、請求項４において、前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、零電圧レベルを出力させる第１のゲート信号状態と、−Ｅの電圧レベルを出力させる第２のゲート信号状態と、＋Ｅの電圧レベルを出力させる第３のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第４のゲート信号状態と、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第５のゲート信号状態と、を有したスイッチングパターンを備え、定常運転時は、前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴としている。
【００３３】
上記構成によれば、定常運転時に交流相電圧が急変することが抑制される。
【００３４】
また、請求項３に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御装置は、請求項２において、前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、前記各スイッチング素子をすべてオフとする第６のゲート信号状態をさらに有し、起動時、停止時を含む過渡運転時は、前記第３のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第２のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴としている。
【００３５】
また、請求項６に記載の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の制御方法は、請求項５において、前記制御手段は、前記各相の電力変換部の前記各スイッチング素子のスイッチングパターンとして、前記各スイッチング素子をすべてオフとする第６のゲート信号状態をさらに有し、起動時、停止時を含む過渡運転時は、前記第３のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第４のゲート信号状態を挟み、前記第２のゲート信号状態と第６のゲート信号状態の間に第５のゲート信号状態を挟んで制御を行うことを特徴としている。
【００３６】
上記構成によれば、起動、停止時などの過渡運転時に交流相電圧が急変することが抑制される。
【発明の効果】
【００３７】
（１）請求項１〜６に記載の発明によれば、交流相電圧の変動を抑制することができる。これによって、電力変換装置がインバータの場合、モータなどの負荷に印加される電圧サージが抑制されて、負荷の絶縁寿命が延長される。また、電力変換装置がコンバータの場合、入力電源とコンバータ間に接続されるフィルタ回路（リアクトル、コンデンサ）に印加される電圧サージが抑制されて、フィルタ回路の絶縁寿命が延長される。
（２）請求項２、５に記載の発明によれば、定常運転時に交流相電圧が急変することが抑制される。
（３）請求項３、６に記載の発明によれば、起動、停止時などの過渡運転時に交流相電圧が急変することが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態におけるゲート制御による電流経路の変化を示す説明図。
【図２】本発明の実施形態におけるゲート信号の状態遷移図。
【図３】本発明の実施形態による遷移制限を適用しない場合の動作を示す説明図。
【図４】本発明の実施形態による遷移制限を適用する場合の動作を示す説明図。
【図５】本発明が適用される３相３レベルＴ型ＮＰＣインバータの代表回路図。
【図６】本発明が適用される単相３レベルＴ型ＮＰＣインバータの代表回路図。
【図７】本発明が適用される３相３レベルＴ型ＮＰＣコンバータの代表回路図。
【図８】本発明が適用される単相３レベルＴ型ＮＰＣコンバータの代表回路図。
【図９】従来方式による３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置のデッドタイム生成のようすを示す説明図。
【図１０】従来方式におけるゲート制御による電流経路の変化を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明では、３レベルの相電圧を生成可能な３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置において、起動、停止時などの過渡運転時や定常運転時にゲート信号のデッドタイム・最小オン時間の生成を行い、交流相電圧の急変を抑制する制御方式を構築した。
【００４０】
以下の実施形態例では、本発明を図５〜図８の３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置に適用した例を示す。図５〜図８に示す３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置は、各スイッチング素子の状態により交流相電圧ＶAC＊がＥ，０，−Ｅの３状態をとる。この３つの状態を遷移することで交流の交流相電圧を得る。また、遷移の際に通過する状態がデッドタイム状態である。本実施形態例において、デッドタイム状態では、遷移前と遷移後の両方の状態においてオンしている共通の１個のスイッチング素子のみがオンしている。
【００４１】
表１に、状態Ｎにおける交流相電圧ＶAC＊および各スイッチング素子のオンオフ状態（本発明の制御手段としての制御部が制御するスイッチングパターン）を示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
表１において、スイッチ状態の「１」がオン、「０」がオフである。Ｎ＝０１、１２の２つの状態がデッドタイム状態にあたり、Ｎ＝０、１を遷移する際に通過するのがＮ＝０１であり、Ｎ＝１、２を遷移する際に通過するのがＮ＝１２である。また表１中の交流相電圧ＶAC＊は電流が＋の場合と−の場合を各々示している。
【００４４】
したがって、状態Ｎ＝１は零電圧レベルを出力させる第１のゲート信号状態、状態Ｎ＝２は−Ｅの電圧レベルを出力させる第２のゲート信号状態、状態Ｎ＝０は＋Ｅの電圧レベルを出力させる第３のゲート信号状態を各々示している。
【００４５】
また、状態Ｎ＝０１は前記第１のゲート信号状態と第３のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第４のゲート信号状態を示し、状態Ｎ＝１２は前記第１のゲート信号状態と第２のゲート信号状態の間で遷移させるときにデッドタイムを設けるための第５のゲート信号状態を示し、状態Ｎ＝ＧＢは各スイッチング素子Ｓ1＊、Ｓ2＊、Ｓ3＊、Ｓ4＊をすべてオフとする第６のゲート信号状態を示している。
【００４６】
尚、状態Ｎ＝ＧＢはゲートブロックを意味し、後述する起動、停止時において、交流相電圧ＶAC＊の急変を抑制するため状態遷移制限を行うために挿入されるゲート信号状態を示している。
【００４７】
上記のように状態Ｎ＝０１、１２のデッドタイム状態を通過することで、状態遷移毎の交流相電圧の変動を直流電源の電圧２Ｅの１／２であるＥに抑制することができる。
【００４８】
表１の状態遷移に基づいて、図９のように指令値が急変した場合の回路の動作を図１に示す。尚、以下の図１、図３、図４では、３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置の第１および第２のコンデンサと、１つの相の正極側スイッチング素子Ｓ1＊、負極側スイッチング素子Ｓ4＊、第１および第２の中性点側スイッチング素子Ｓ2＊、素子Ｓ3＊のみを図示する。
【００４９】
図１において、状態Ｎは、Ｎ＝０からＮ＝０１、Ｎ＝１、Ｎ＝１２を介してＮ＝２へ遷移する。Ｎ＝０からＮ＝０１に遷移する際は、電流の向きが＋の場合に交流相電圧ＶAC＊がＥから０に変化する。Ｎ＝０１からＮ＝１に遷移する際は、電流の向きが−の場合に交流相電圧ＶAC＊がＥから０に変化する。Ｎ＝１からＮ＝１２に遷移する際は、電流の向きが＋の場合に交流相電圧ＶAC＊が０から−Ｅに変化する。Ｎ＝１２からＮ＝２に遷移する際は、電流の向きが−の場合に交流相電圧ＶAC＊が０から−Ｅに変化する。
【００５０】
このように、Ｎ＝０、１、２状態の遷移にＮ＝０１、１２であるデッドタイム状態を介することで、遷移毎の交流相電圧ＶAC＊の変動はＥとなり、従来方式による交流相電圧ＶAC＊の変動（２Ｅ）の半分となる。これにより、交流相電圧ＶAC＊の急変を抑制した３レベルＴ型ＮＰＣ電力変換装置のデッドタイム処理が実現できる。
【００５１】
この処理を装置の起動や停止時に拡張するため、スイッチングパターンとして、表１に全てのスイッチング素子がオフ状態であるＮ＝ＧＢの状態を設けている。各状態間の遷移において、ゲート信号の変化はスイッチング素子１個のみで行うと定義すると、図２に示すように状態間の遷移を制限する。図２のようにゲート信号の状態を変化させることで、起動、停止時においても交流相電圧ＶAC＊の急変を抑制する。
【００５２】
ここで、図２の状態遷移制限を適用せずに装置を停止する場合の動作を図３により説明する。図３では、Ｎ＝０から全てのスイッチング素子のゲート信号がオフとなるＮ＝ＧＢに遷移する場合を例としている。
【００５３】
Ｎ＝０の状態では、電流の向きによらずＶAC＊＝Ｅになる。Ｎ＝ＧＢの状態では、電流の向きが＋の場合ＶAC＊＝−Ｅに、電流の向きが−の場合ＶAC＊＝Ｅになる。Ｎ＝０からＮ＝ＧＢに直接遷移した場合、電流の向きが−の場合は、スイッチング素子Ｓ1＊の逆並列接続ダイオードを電流が通過しているために状態が遷移しても交流相電圧ＶAC＊はＥを保持する。
【００５４】
しかし、電流の向きが＋の場合は、状態の遷移によりスイッチング素子Ｓ1＊のＩＧＢＴに流れていた電流が遮断され、その電流がスイッチング素子Ｓ4＊の逆並列接続ダイオードを通過するため、ＶAC＊＝−Ｅとなる。したがって、装置停止時の交流相電圧ＶAC＊の変動が２Ｅとなる。
【００５５】
一方、本発明の図２の状態遷移制限を適用して装置を停止する場合の動作を図４により説明する。図４に示すようにＮ＝０からＮ＝ＧＢへ遷移する際にＮ＝０１を経由するので、電流の向きが＋の場合では状態の遷移によりスイッチング素子Ｓ1＊のＩＧＢＴに流れていた電流が遮断され、その電流が一旦スイッチング素子Ｓ2＊のＩＧＢＴとスイッチング素子Ｓ3＊の逆並列接続ダイオードを流れ、次の状態遷移時にスイッチング素子Ｓ4＊の逆並列接続ダイオードを流れるようになる。これにより、状態遷移毎の交流相電圧ＶAC＊の変動はＥとなる。
【００５６】
このように、遷移制限を適用しない場合と比較して電圧の変動を半分にすることができる。この動作はＮ＝ＧＢからの装置の起動時でも有効であり、誘導性の負荷で残留電流が残っている場合の起動時に、交流相電圧ＶAC＊の変化をＥに制限できる。これは、特に３レベルインバータにモータなどの負荷が直接接続された際に有効であり、負荷に印加される電圧の変動を抑制する効果がある。
【００５７】
このように図２に示すゲート信号の状態遷移制限は、Ｎ＝０（第３のゲート信号状態）とＮ＝ＧＢ（第６のゲート信号状態）の間にＮ＝０１（第４のゲート信号状態）を挟み、Ｎ＝２（第２のゲート信号状態）とＮ＝ＧＢ（第６のゲート信号状態）の間にＮ＝１２（第５のゲート信号状態）を挟んでゲート信号状態を遷移させるものである。
【００５８】
この制御方式は、交流相電圧ＶAC＊の変動を抑制しつつ、定常運転時のデッドタイム処理と起動、停止時のゲートブロック処理を共通にできる特徴を持つ。
【符号の説明】
【００５９】
１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ…電力変換部
２００ａ…三相交流電源
２００ｂ…単相交流電源
３００ａ，３００ｂ…フィルタ回路
４００…直流負荷
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ
Ｓ1U〜Ｓ4U，Ｓ1v〜Ｓ4v，Ｓ1w〜Ｓ4w…スイッチング素子
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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