(57)【要約】  交流電源１の電圧または交流電源１の電圧と直流電源直列回路３０の電圧とを用いて交流電源１の電圧より低い所定の交流電圧を出力するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を第１の周波数でオンオフさせる。交流電源１の電圧または交流電源１の電圧と直流電源直列回路３０の電圧とを用いて交流電源１の電圧より高い所定の交流電圧を出力するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を第２の周波数でオンオフさせる。直流電源直列回路３０の電圧を用いて所定の交流電圧を出力するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数でオンオフさせて、インバータ回路４１から出力される電流の最大値を、第１と第２の制御モード時の最大値と略同じまたはこれより小さくする。
2014030182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とする
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記インバータは、さらに、前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と前記第１と第２の直流電源の接続点との間に接続される第２の双方向スイッチを有していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１と第２の直流電源の電圧は、前記交流電源の電圧を用いて作られる電圧であって、かつ前記交流電源の電圧の振幅値よりも大きい電圧であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、前記第３の制御モード時のインバータ出力電流の最大値が、前記第１または第２の制御モードにおいて前記インバータが出力する電流の最大値と略同じになるようにまたはこの最大値より小さくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流が、前記位相の近傍において前記第１または第２の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流と略同じ大きさになるようにまたはこのリプル電流より小さくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅を、前記位相の近傍において前記第１または第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅で除して得られる係数を、前記第１の周波数に乗じて得られる周波数と略同じになるようにまたはこの周波数より大きくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差が、前記位相の近傍において前記第１または第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差と略同じになるようにまたはこの電圧時間積の差より小さくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、前記第３の制御モード時のインバータ出力電流の最大値が、前記第１と第２の制御モード時のインバータ出力電流のいずれかの最大値と略同じ大きさとなるようにまたはこの最大値よりも小さくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流が、前記位相の近傍において前記第１と第２の制御モード時のインバータ出力電流のいずれかに含まれるリプル電流と略同じ大きさとなるようにまたはこのリプル電流よりも小さくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅を、前記位相の近傍において前記第１と第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅のいずれかで除して得られる係数を、前記第１の周波数に乗じて得られる周波数と略同じになるようにまたはこの周波数より大きくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差が、前記位相の近傍において前記第１と第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差のいずれかと略同じとなるようにまたはこの電圧時間積の差より小さくなるように定められていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源の電圧変動または交流電源の停電が発生しても、安定した電圧を負荷に供給することができる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、特許文献１に開示されている常時インバータ給電方式の電力変換装置を説明するための図である。この電力変換装置は、交流電源の電圧を一旦直流電圧に変換し、直流電圧を再度交流電圧に変換して負荷に供給する。
図において、１は単相の交流電源、２はコンデンサ、３はコンバータ回路、４１はインバータ回路、５はフィルタ回路、６は負荷である。【０００３】
コンバータ回路３は、スイッチング素子Ｑｐ，Ｑｎの直列回路、この直列回路に並列に接続されるコンデンサＣｐ，Ｃｎの直列回路およびリアクトルＬで構成されている。リアクトルＬは、スイッチング素子Ｑｐ，Ｑｎの接続点と交流電源１の一端との間に接続されている。【０００４】
インバータ回路４１は、スイッチング素子直列回路と第１の双方向スイッチで構成されている。スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続してなる回路である。第１の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を逆並列接続してなる回路である。スイッチング素子直列回路は、コンバータ回路３の直流出力端子間に接続されている。双方向スイッチは、交流電源１の一端とスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点との間に接続されている。【０００５】
フィルタ回路５は、リアクトルＬｆ１とコンデンサＣｆ１とを直列接続して構成されている。リアクトルＬｆ１の一端は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続中点に接続されている。コンデンサＣｆ１の一端は、コンデンサ直列回路の接続中点に接続されている。
負荷６は、リアクトルＬｆ１とコンデンサＣｆ１との接続点と交流電源１の他端との間に接続されている。【０００６】
上記構成において、コンバータ回路３は、スイッチング素子Ｑｐ，Ｑｎをオンオフさせて交流電源１の電圧を整流する。コンデンサＣｐ，Ｃｎは、この整流された電圧によって、所定電圧に充電される。所定電圧に充電されたコンデンサＣｐ，Ｃｎは、それぞれ直流電源を形成している。
インバータ回路４１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフさせて、コンデンサＣｐ，Ｃｎからなる直流電源の電圧を交流電圧Ｖｕに変換する。また、インバータ回路４１は、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２をオンオフさせて、交流電源１の電圧を交流電圧Ｖｕに変換する。インバータ回路４１から出力される交流電圧Ｖｕには、高周波数成分が含まれている。
フィルタ回路５は、交流出力電圧に含まれる高周波数成分を除去して、出力電圧Ｖｕの基本波成分である電圧Ｖｌｏａｄを出力する。負荷６には、交流電圧Ｖｌｏａｄが供給される。【０００７】
次に、図１１は、図１０に示した電力変換装置のインバータ回路４１にさらに第２の双方向スイッチを付加した電力変換装置である。第２の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４を逆並列接続してなる回路である。この回路は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とコンデンサＣｐ，Ｃｎの接続点との間に接続されている。【０００８】
この電力変換装置は、図１０に示した電力変換装置の動作に加えて、スイッチ素子Ｓ３またはＳ４をオンオフさせることにより、ゼロ電圧を出力することができる。ゼロ電圧は、コンデンサＣｐ，Ｃｎの接続点の電位である。この動作により、この電力変換装置は、交流電源１の電圧が変動したときまたは停電したときも、負荷に所定の交流電圧を供給することができる。
例えば、上記構成からなる電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが低下したとき、昇圧動作を行うことにより、所定の交流電圧を出力する。図１２は、交流電源１の電圧Ｖｒが低下したとき、電力変換装置から出力される電圧Ｖｕと負荷６に印加される電圧Ｖｌｏａｄを示す図である。【０００９】
昇圧動作において交流電圧Ｖｕの正側半波を出力するとき、この電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ１を交互にオンオフする。この動作により、交流電源１の電圧にコンデンサＣｐの電圧Ｖｐが加算された電圧が出力される。また、交流電圧Ｖｕの負側半波を出力するとき、この電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ２とスイッチ素子Ｓ２を交互にオンオフする。この動作により、交流電源１の電圧にコンデンサＣｎの電圧Ｖｎが加算された電圧が出力される。【００１０】
また、この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが上昇したとき、降圧動作を行うことにより、所定の交流電圧を出力する。降圧動作において、交流電圧Ｖｕの正側半波を出力するとき、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ３を交互にオンオフする。また、交流電圧Ｖｕの負側半波を出力するとき、この電力変換装置は、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ４を交互にオンオフする。【００１１】
また、交流電源１が停電したとき、この電力換装置は、バックアップ動作を行うことにより、所定の交流電圧を出力する。バックアップ動作において交流電圧Ｖｕの正側半波を出力するとき、この電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオンオフする。また、この電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ３とを交互にオンオフすることによっても、交流電圧Ｖｕの正側半波を出力することができる。また、交流電圧Ｖｕの負側半波を出力するとき、この電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオンオフする。また、この電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ２とスイッチ素子Ｓ４とを交互にオンオフすることによっても、交流電圧Ｖｕの負側半波を出力することができる。図１３は、このバックアップ動作時に、この電力変換装置から出力される電圧Ｖｕと負荷６に印加される電圧Ｖｌｏａｄの一例を示す図である。【００１２】
また、この電力変換装置は、直送動作を行うとき、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２をオンして、交流電源１の電圧を出力する。【００１３】
出力電圧Ｖｕに含まれる高調波成分は、フィルタ回路５で除去される。したがって、フィルタ回路５からは、出力電圧Ｖｕの基本波成分である電圧Ｖｌｏａｄが出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−０７５５８１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１２／０６７１６７Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記の電力変換装置は、出力電流の最大値を、スイッチング素子およびスイッチ素子が制御できる電流の範囲内に制限しなければならない。この出力電流は、基本波電流にリプル電流を加えた電流である。【００１６】
一方、この電力変換装置は、昇圧動作及びバックアップ動作において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を同じ周波数でオンオフ動作させる。リアクトルＬｆ１に印加される電圧の変化幅は、バックアップ動作のように直流電源の電圧のみを用いて交流電圧を出力するときに最大となる。したがって、バックアップ動作時に、リアクトルＬｆ１に流れるリプル電流が最大になる。すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が制御する電流は、バックアップ動作時に最大となる。そのため、バックアップ動作時の条件でリプル電流が所定値になるように、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値が決定されるのが一般的である。【００１７】
しかしながら、このようにして決めたリアクトルＬｆ１のインダクタンス値は、昇圧動作時に必要とされるインダクタンス値に比べて、大きな値となる。リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を大きくするためには、コイルの巻数を増やす必要がある。コイルの巻数を増やすと、コイルの導体抵抗が増加し、リアクトルＬｆ１の銅損が増加する。その結果、電力変換装置の効率が低下するという問題が生じる。また、リアクトルＬｆ１が大きくなることにともない、電力変換装置が大型化するという問題がある。【００１８】
本発明は、このような従来技術が有している問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増加させることなく、直流電源の電圧のみを用いて交流電圧を出力する動作モード時のインバータ出力電流の最大値を、昇圧動作および降圧動作時のインバータ出力電流の最大値と略同じになるように、またはこれらの最大値より小さくなるようにすることができる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明は、第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備える電力変換装置に適用される。【００２０】
このインバータは、スイッチング素子直列回路と第１の双方向スイッチとリアクトルとを有している。スイッチング素子直列回路は、第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、直流電源直列回路の両端に接続される。第１の双方向スイッチは、一端が第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が交流電源の他端と接続される。リアクトルは、第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続される。【００２１】
そして、この電力変換装置は、第１の制御モードと第２の制御モードと第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで、インバータを動作させることを特徴とする。第１の制御モードは、交流電源の電圧と直流電源直列回路の電圧とを用いて交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する制御モードである。第２の制御モードは、交流電源の電圧と直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも交流電源の電圧を用いることによって交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する制御モードである。第３の制御モードは、直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する制御モードである。【００２２】
さらに、この電力変換装置は、第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させる周波数を、第１の制御モードのとき第１の周波数とし、第２の制御モードのとき第２の周波数とする。そして、この電力変換装置は、第３の制御モードのとき、第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させる周波数を、第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とすることを特徴としている。【００２３】
この電力変換装置のインバータは、さらに、第１と第２のスイッチング素子の接続点と第１と第２の直流電源の接続点との間に接続される第２の双方向スイッチを備える構成を採ることもできる。【００２４】
そして、この電力変換装置は、第１と第２の直流電源の電圧を、交流電源の電圧を用いて作られる電圧であって、かつ交流電源の電圧の振幅値よりも大きい電圧とすることができる。【００２５】
また、本発明に係る電力変換装置は、インバータが第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと第３の制御モードとを有して動作するとき、第３の周波数を次のように定めることができる。【００２６】
まず、この電力変換装置は、第３の制御モード時のインバータ出力電流の最大値が、第１または第２の制御モードにおいてインバータが出力する電流の最大値と略同じになるように、またはこの最大値より小さくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００２７】
あるいは、この電力変換装置は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において第３の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流が、その位相の近傍において第１または第２の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流と略同じ大きさになるように、またはこのリプル電流より小さくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００２８】
あるいは、この電力変換装置は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において第３の制御モード時にリアクトルに印加される電圧変化幅を、その位相の近傍において第１または第２の制御モード時にリアクトルに印加される電圧変化幅で除して得られる係数を、第１の周波数に乗じて得られる周波数と略同じになるように、またはこの周波数より大きくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００２９】
あるいは、この電力変換装置は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において第３の制御モード時にリアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差が、その位相の近傍において第１または第２の制御モード時にリアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差と略同じになるように、またはこの電圧時間積の差より小さくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００３０】
また、本発明に係る電力変換装置は、インバータが第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、第３の周波数を次のように定めることができる。
まず、この電力変換装置は、第３の制御モード時のインバータ出力電流の最大値が、第１と第２の制御モード時のインバータ出力電流のいずれかの最大値と略同じ大きさとなるように、またはこの最大値よりも小さくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００３１】
あるいは、この電力変換装置は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において第３の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流が、その位相の近傍において第１と第２の制御モード時のインバータ出力電流のいずれかに含まれるリプル電流と略同じ大きさとなるように、またはこのリプル電流よりも小さくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００３２】
あるいは、この電力変換装置は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において第３の制御モード時にリアクトルに印加される電圧変化幅を、その位相の近傍において第１と第２の制御モード時にリアクトルに印加される電圧変化幅のいずれかで除して得られる係数を、第１の周波数に乗じて得られる周波数と略同じになるように、またはこの周波数より大きくなるように、第３の周波数を定めることができる。【００３３】
あるいは、この電力変換装置は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において第３の制御モード時にリアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差が、その位相の近傍において第１と第２の制御モード時にリアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差のいずれかと略同じとなるように、またはこの電圧時間積の差より小さくなるように、第３の周波数を定めることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、リアクトルのインダクタンス値を増加させることなく、直流電源の電圧のみを用いて交流電圧を出力する動作モード時のインバータ出力電流の最大値を、昇圧動作および降圧動作時のインバータ出力電流の最大値と略同じになるように、またはこれらの最大値より小さくなるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。
【図２】インバータ回路の動作を説明するための図である。
【図３】昇圧モードの動作を説明するための図である。
【図４】バックアップモードの動作を説明するための図である。
【図５】キャリア信号の切り替わりを説明するための図である。
【図６】本発明を適用した第２の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。
【図７】インバータ回路の動作を説明するための図である。
【図８】昇圧モードの動作を説明するための図である。
【図９】バックアップモードの動作を説明するための図である。
【図１０】従来技術に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。
【図１１】従来技術に係る電力変換装置の他の構成を説明するための図である。
【図１２】従来技術に係る電力変換装置の昇圧モードを説明するための図である。
【図１３】従来技術に係る電力変換装置のバックアップモードを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明を適用した電力変換装置の第１の実施形態を、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。図において、１は交流電源、２はコンデンサ、３０は直流電源直列回路、４１はインバータ回路、５はフィルタ回路、６は負荷、１００は制御回路である。
【００３７】
交流電源１は、端子Ｒと端子Ｓとを有する単相交流電源である。交流電源１の端子Ｒと端子Ｓとの間に、コンデンサ２が接続される。
【００３８】
直流電源直列回路３０は、正側の直流電源Ｐｓｐ（第１の直流電源）と負側の直流電源Ｐｓｎ（第２の直流電源）とを直列接続してなる直流電源である。直流電源Ｐｓｐと直流電源Ｐｓｎの接続点は、中性点端子Ｏである。中性点端子Ｏは、直流電源直列回路３０の中間電位を出力する端子である。交流電源１の電源端子Ｓは、この中性点端子Ｏに接続されている。
直流電源直列回路３０は、例えば、図１０に示したコンバータ回路３で構成することができる。また、交流電源１の電圧を用いて中間電位を含む３レベルの電位を出力することができれば、直流電源直列回路３０は、他の方式によって構成された回路であってもよい。
【００３９】
インバータ回路４１は、スイッチング素子直列回路と第１の双方向スイッチとで構成されている。
スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した回路である。このスイッチング素子直列回路は、直流電源直列回路３０の正側端子Ｐと負側端子Ｎの間に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点は、交流出力端子Ｕ（第１の交流出力端子）に接続されている。交流出力端子Ｖ（第２の交流出力端子）は、中性点端子Ｏに接続されている。
第１の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を逆並列接続した回路である。この第１の双方向スイッチは、交流出力端子Ｕと電源端子Ｒとの間に接続されている。具体的には、スイッチ素子Ｓ１のコレクタ端子側が電源端子Ｒに接続される。また、スイッチ素子Ｓ１のエミッタ端子側が交流出力端子Ｕに接続される。
【００４０】
交流出力端子Ｕ，Ｖは、フィルタ回路５を介して負荷６に接続される。フィルタ回路５は、リアクトルＬｆ１とコンデンサＣｆ１の直列回路で構成されている。負荷６は、コンデンサＣｆ１の両端に接続される。
【００４１】
ここで、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。しかし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、このように構成された素子に限られない。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など、交流電源１の周波数に対して数１０倍以上の高い周波数でオンオフ動作ができる他の半導体素子を用いて構成しても良い。
【００４２】
双方向スイッチは、一方のスイッチ素子をオンすることによって一方向に電流を流すことができる。また、双方向スイッチは、他方のスイッチ素子をオンすることによって他方向に電流を流すことができる。なお、双方向スイッチは、このような機能を発揮することができれば、他の構成によるものであっても良い。
【００４３】
上記電力変換装置において、直流電源直列回路３０の正側端子Ｐは、直流電源Ｐｓｐの正電位（以下、正電圧Ｖｐという。）を出力する。直流電源直列回路３０の負側端子Ｎは、直流電源Ｐｓｎの負電位（以下、負電圧Ｖｎという。）を出力する。交流電源１の電源端子Ｒは、交流電源１の電圧Ｖｒを出力する。
【００４４】
インバータ回路４１は、スイッチング素子Ｑ１に電流を流すことで、交流出力端子Ｕ−Ｖ間以下、交流出力端子Ｕ−Ｖ間という。）に、正電圧Ｖｐを出力する。また、インバータ回路４１は、スイッチング素子Ｑ２に電流を流すことで、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に、負電圧Ｖｎを出力する。また、インバータ回路４１は、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２のいずれかに電流を流すことで、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に、交流電源の電圧Ｖｒを出力する。そして、インバータ回路４１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２のオンオフ動作を制御することによって、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に、単相の交流電圧Ｖｕを出力する。
【００４５】
ここで、本実施形態に係る電力変換装置は、少なくとも第１と第２と第３の制御モードを備えている。
第１の制御モードは、交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源直列回路３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎを用いて、交流電圧Ｖｒよりも高い所定の交流電圧Ｖｕを出力するモードである。この第１の制御モードは、一般に、昇圧モードといわれる。昇圧モードでは、交流電源１の電圧が所定値以下に低下したとき、交流電源の電圧Ｖｒに直流電源直列回路３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎを重畳して、出力電圧Ｖｕが所定電圧に維持される。
【００４６】
第２の制御モードは、交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源直列回路３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎのうち少なくとも交流電圧Ｖｒを用いて、交流電圧Ｖｒよりも低い所定の交流電圧Ｖｕを出力するモードである。この第２の制御モードは、一般に、降圧モードといわれる。
すなわち、第１と第２の制御モードは、交流電源１の電圧Ｖｒが変動したとき、出力を所定電圧Ｖｕに維持するための電圧補償モードである。
【００４７】
第３の制御モードは、直流電源直列回路３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎを用いて、所定の交流電圧Ｖｕを出力するモードである。交流電源１が停電したとき、電力変換装置は、第３の制御モードの１つであるバックアップモードで動作する。なお、第３の制御モードには、交流電源１が健全な状態で、直流電源直列回路３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎを用いて所定の交流電圧Ｖｕを出力するモードも含まれる。
【００４８】
また、本実施形態に係る電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒをそのまま出力する直送モードも備えている。しかし、このモードは本発明に関係しないので、その説明を省略する。
【００４９】
本実施形態では、各制御モードにおいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２をオンオフさせる動作は、制御期間ごとに行われる。この制御期間は、各素子をオンオフ動作させる周波数に対応した期間である。
【００５０】
また、この実施形態に係る電力変換装置は、各制御期間において、第１と第２の素子を定める。第１と第２の素子は、各制御モードとその動作条件に基づいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の中から予め選択された素子である。第１と第２の素子は、各制御期間において、交互にオンオフする。第１の素子がオンすると、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に第１の電圧が出力される。また、第２の素子がオンすると、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に第２の電圧が出力される。各制御期間において、この２レベルの電圧からなる電圧Ｖｕは、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する電圧である。
【００５１】
インバータ回路４１は、第１の制御モードのとき、第１の周波数で、第１と第２の素子を交互にオンオフさせる。第１の周波数は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２が制御できる最大電流ＩｍとリアクトルＬｆ１のインダクタンス値に基づいて定められている。以下では、これらの素子が制御できる最大電流を、可制御電流Ｉｍとする。
【００５２】
インバータ回路４１は、第２の制御モードのとき、第２の周波数で、第１と第２の素子を交互にオンオフさせる。第２の周波数は、可制御電流ＩｍとリアクトルＬｆ１のインダクタンス値に基づいて定められている。
出力電流Ｉｕの最大値が可制御電流Ｉｍより小さければ、第１と第２の周波数は、同じ周波数であっても良く、また異なる周波数であってもよい。
【００５３】
インバータ回路４１は、第３の制御モードのとき、第３の周波数で、第１と第２の素子を交互にオンオフさせる。各制御期間において、第１と第２の電圧の変化幅は、第３の制御モードのときに最大になる。したがって、第３の周波数を第１と第２周波数のうち高い方の周波数と同じにすると、出力電流Ｉｕのリプル電流は、第３の制御モードのときに最大になる。
そこで、第３の周波数を、第１と第２周波数のうち高い方の周波数よりも所定倍高い周波数に設定する。このようにすることにより、第３の制御モード時の出力電流Ｉｕの最大値を、第１と第２の制御モード時の出力電流Ｉｕの最大値と略同じかまたはこれらの最大値よりも小さくすることができる。
【００５４】
以下では、昇圧モード（第１の制御モード）時とバックアップモード（第３の制御モード）時の電力変換装置の動作を用いて、本発明の説明をする。なお、降圧モード（第２の制御モード）時と第３の制御モード時の電力変換装置の動作の関係も、同様に考えることができる。
【００５５】
まず、図２、図３を用いて、昇圧モード時のインバータ回路４１の動作を説明する。
図２は、インバータ回路４１が昇圧モードで動作するときのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の制御信号を説明するための図である。制御回路１００は、昇圧モードに属する各制御期間において、交流電圧指令Ｖｕ＊と交流電源１の電圧Ｖｒの関係から、各素子の制御信号を生成する。
【００５６】
図において、「ＶｒとＶｕ＊の関係」欄は、「δ(領域)」欄に示す領域を判定するための条件を示している。「δ(領域)」欄は、「ＶｒとＶｕ＊の関係」欄の条件で判定した領域を示している。「α（パルス幅指令）」欄は、後述する第１の素子のパルス幅指令αを算出するための式を示している。「制御信号」欄は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の制御信号Ｇ１，Ｇ２およびＧｓ１，Ｇｓ２の状態を示している。
【００５７】
電力変換装置は、次のように領域を判定するとともに、各素子の制御信号Ｇ１，Ｇ２およびＧｓ１，Ｇｓ２の状態を定める。
交流電圧指令Ｖｕ＊と電圧Ｖｒの関係が、Ｖｕ＊＞Ｖｒのとき、当該制御期間を領域１１とする。領域１１は、インバータ回路４１が電圧Ｖｕの正側半波を出力するための領域である。
また、交流電圧指令Ｖｕ＊と電圧Ｖｒの関係が、Ｖｕ＊≦Ｖｒのとき、当該制御期間を領域１２とする。領域１２は、インバータ回路４１が電圧Ｖｕの負側半波を出力するための領域である。
【００５８】
領域１１および領域１２におけるパルス幅指令αは次式（１），（２）を用いて算出される。
【００５９】
【数１】
2014030182.tif 000003
【００６０】
なお、領域１１，１２のそれぞれにおいて、第１の素子として選択される素子と第２の素子として選択される素子は、予め定められている。また、オンアーム素子またはオフアーム素子となる素子も、予め定められている。
【００６１】
図２において、「Ｈｏｎ」は、第１の素子に選択された素子の制御信号を示す。「Ｌｏｎ」は、第２の素子に選択された素子の制御信号を示す。制御信号「Ｌｏｎ」は、制御信号「Ｈｏｎ」のハイレベルとローレベルを反転した信号である。「Ｈ」は、オンアーム素子に選択された素子の制御信号を示す。「Ｌ」は、オフアーム素子に選択された素子の制御信号を示す。各信号がハイレベルのとき、対応する素子がオンする。また、各信号がローレベルのとき、対応する素子がオフする。
【００６２】
当該制御期間が領域１１のとき、スイッチング素子Ｑ１が第１の素子に選択され、スイッチ素子Ｓ２が第２の素子に選択される。また、スイッチ素子Ｓ１がオンアーム素子に選択され、スイッチング素子Ｑ２がオフアーム素子に選択される。したがって、領域１１における制御信号Ｇ１が「Ｈｏｎ」、制御信号Ｇｓ２が「Ｌｏｎ」となる。また、制御信号Ｇｓ１が「Ｈ」、制御信号Ｇ２が「Ｌ」となる。
【００６３】
また、当該制御期間が領域１２のとき、スイッチング素子Ｑ２が第１の素子に選択され、スイッチ素子Ｓ１が第２の素子に選択される。また、スイッチ素子Ｓ２がオンアーム素子に選択され、スイッチング素子Ｑ１がオフアーム素子に選択される。したがって、領域１２における制御信号Ｇ２が「Ｈｏｎ」、制御信号Ｇｓ１が「Ｌｏｎ」となる。また、制御信号Ｇｓ２が「Ｈ」、制御信号Ｇ１が「Ｌ」となる。
【００６４】
次に、図３を用いて、領域１１において、インバータ回路４１が電圧Ｖｕの正側半波を出力するときの動作を説明する。なお、領域１２においてインバータ回路４１が電圧Ｖｕの負側半波を出力するときの動作は、領域１１における動作と同様に考えることができるので、その説明を省略する。
【００６５】
領域１１では、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２が交互にオンオフ動作をする。スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２がオンオフする周波数を周波数ｆ１Ａ（第１の周波数）とする。また、周波数ｆ１Ａの周期をＴ１Ａとする。
【００６６】
図３（ａ）は、当該制御期間が領域１１のときの第１の素子の制御信号「Ｈｏｎ」を示している。制御信号「Ｈｏｎ」は、当該制御期間Ｔ１Ａにおいて、時間Ｔ１ＡＨの間オンし、その後、時間Ｔ１ＡＬの間オフする信号である。時間Ｔ１ＡＨは、上記式（１）によって算出されるパルス幅指令αに対応する時間である。例えば、時間Ｔ１ＡＨは、当該制御期間の周期Ｔ１Ａにパルス幅指令αを乗じて得ることができる。
図３（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２のオンオフ状態を示している。図３（ｂ）と図３（ｄ）において斜線を施した部分は、当該素子において電流Ｉｕが流れている期間を示している。なお、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２が交互にオンオフするとき、両方の素子が同時にオフする休止期間が存在する。しかし、説明を簡単にするため、図３では、休止期間を省略して記載している。
【００６７】
当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間には、図３（ｆ）に示す電圧Ｖｕが出力される。電圧Ｖｕは、当該制御期間Ｔ１Ａの始点から時間Ｔ１ＡＨの間正電圧Ｖｐとなり、その後、時間Ｔ１ＡＬの間交流電源１の電圧Ｖｒになる。当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に出力される電圧Ｖｕの平均値は、交流電圧指令Ｖｕ＊に等しい。
【００６８】
また、インバータ回路４１から、図３（ｇ）に示す電流Ｉｕが出力される。電流Ｉｕは、時間Ｔ１ＡＨの間、直流電源直列回路３０の正側端子Ｐ→スイッチング素子Ｑ１→フィルタ回路５および負荷６→直流電源直列回路３０の中性点端子Ｏの経路Ｒ１ＡＨを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸増する。電流Ｉｕは、時間Ｔ１ＡＬの間、フィルタ回路５および負荷６→交流電源１→スイッチ素子Ｓ１→フィルタ回路５および負荷６の経路Ｒ１ＡＬを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸減する。
【００６９】
以上の動作を各制御期間で行うことにより、電力変換装置は、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する交流電圧Ｖｕを出力し、負荷に電力を供給することができる。
【００７０】
ここで、電流Ｉｕは、上述のとおり、リアクトルＬｆ１を流れる。そして、電流Ｉｕの最大値と最小値との差が、リプル電流Ｉｒ１Ａである。このリプル電流Ｉｒ１Ａの最大値は、電流Ｉｕが可制御電流Ｉｍより小さくなるように定められている。
このリプル電流Ｉｒ１Ａは、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値およびリアクトルＬｆ１に印加される電圧Ｖｐ，Ｖｒとそれぞれの印加時間Ｔ１ＡＨ，Ｔ１ＡＬによって定まる。また、リアクトルＬｆ１に印加される電圧の印加時間は、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２がオンオフする周波数ｆ１Ａに対応する。
【００７１】
次に、図４を用いて、バックアップモード時に電圧Ｖｕの正側半波を出力するときのインバータ回路４１の動作を説明する。なお、インバータ回路４１が電圧Ｖｕの負側半波を出力するときの動作は、正側半波を出力する動作と同様に考えることができるので、その説明を省略する。
バックアップモードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互にオンオフ動作をする。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフする周波数を周波数ｆ１Ｂ（第３の周波数）とする。また、周波数ｆ１Ｂの周期をＴ１Ｂとする。
【００７２】
図４（ａ）は、電圧Ｖｕの正側半波を出力する制御期間における第１の素子の制御信号「Ｈｏｎ」を示している。制御信号「Ｈｏｎ」は、当該制御期間Ｔ１Ｂにおいて、時間Ｔ１ＢＨの間オンし、その後、時間Ｔ１ＢＬの間オフする信号である。時間Ｔ１ＢＨは、後述の式（３）によって算出されるパルス幅指令αに対応する時間である。例えば、時間Ｔ１ＢＨは、当該制御期間の周期Ｔ１Ｂにパルス幅指令αを乗じて得ることができる。
【００７３】
図４（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２のオンオフ状態を示している。スイッチング素子Ｑ１は、当該制御期間Ｔ１Ｂにおいて、制御信号Ｈｏｎに同期して、オンオフ動作を行う。スイッチング素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２はオフのままである。
図４（ｂ）と図４（ｄ）において斜線を施した部分は、当該素子において電流Ｉｕが流れている期間を示している。
【００７４】
バックアップモードにおいて、電圧Ｖｕの正側半波と負側半波を出力するときのパルス幅指令αは次式（３），（４）を用いて算出される。
【００７５】
【数２】
2014030182.tif 000004
【００７６】
当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間には、図４（ｆ）に示す電圧Ｖｕが出力される。電圧Ｖｕは、当該制御期間の始点から時間Ｔ１ＢＨの間正電圧Ｖｐとなり、その後、時間Ｔ１ＢＬの間負電圧Ｖｎになる。当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に出力される電圧Ｖｕの平均値は、交流電圧指令Ｖｕ＊に等しい。
【００７７】
また、インバータ回路４１から、図４（ｇ）に示す電流Ｉｕが出力される。電流Ｉｕは、時間Ｔ１ＢＨの間、直流電源直列回路３０の正側端子Ｐ→スイッチング素子Ｑ１→フィルタ回路５および負荷６→直流電源直列回路３０の中性点端子Ｏの経路Ｒ１ＢＨを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸増する。電流Ｉｕは、時間Ｔ１ＢＬの間、フィルタ回路５および負荷６→直流電源Ｐｓｎ→スイッチング素子Ｑ２のダイオード→フィルタ回路５および負荷６の経路Ｒ１ＢＬを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸減する。この電流Ｉｕの最大値と最小値との差が、リプル電流Ｉｒ１Ｂである。
【００７８】
以上の動作を各制御期間で行うことにより、電力変換装置は、交流電源１が停電しても、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する交流電圧Ｖｕを出力することができる。
【００７９】
ここで、電流Ｉｕの基本波が最大となる位相の近傍に生じるリプル電流Ｉｒ１Ｂの増加を抑制する。そして、リプル電流Ｉｒ１Ｂが、昇圧モード時に同位相の近傍に生じるリプル電流Ｉｒ１Ａと略同じになるようにする。そうすれば、バックアップモード時の電流Ｉｕの最大値を、昇圧モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じにすることができる。
そのために、周波数ｆ１Ｂを周波数ｆ１Ａよりも高い周波数に設定する。
例えば、バックアップモード時と昇圧モード時の当該制御期間における電圧変化幅の比に応じて、周波数ｆ１Ｂを設定する。この場合、周波数ｆ１Ｂを次式（５）で算出する。
【００８０】
【数３】
2014030182.tif 000005
【００８１】
このように周波数ｆ１Ｂを設定すれば、時間Ｔ１ＢＨが周波数ｆ１Ｂに逆比例して短くなるため、リプル電流Ｉｒ１Ｂの増加を抑制することができる。したがって、リプル電流Ｉｒ１Ｂがリプル電流Ｉｒ１Ａと略同じになるように、周波数ｆ１Ｂを設定すればよい。
【００８２】
また、電流Ｉｕの基本波が最大となる位相の近傍において、バックアップモード時の時間Ｔ１ＢＨ，Ｔ１ＢＬそれぞれでリアクトルＬｆ１に印加される電圧時間積の差と、昇圧モード時の時間Ｔ１ＡＨ，Ｔ１ＡＬそれぞれでリアクトルＬｆ１に印加される電圧時間積の差とが、略同じになるようにしても良い。例えば、次式（６）を満たすように周波数ｆ１Ｂを設定する。
【００８３】
【数４】
2014030182.tif 000006
【００８４】
式（６）を満たすように周波数ｆ１Ｂを設定すれば、バックアップモード時にリアクトルＬｆ１に印加される電圧時間積の差が、昇圧モード時に印加される電圧時間積の差と略同じになる。それゆえ、リプル電流Ｉｒ１Ｂの増加が抑制されて、リプル電流Ｉｒ１Ｂがリプル電流Ｉｒ１Ａと略同じになる。
また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２とリアクトルＬｆ１の温度上昇が許容されるのであれば、周波数ｆ１Ｂを上記の周波数よりも高い周波数とすることもできる。この場合、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、リプル電流Ｉｒ１Ｂをリプル電流Ｉｒ１Ａより小さい電流にすることができる。
また、バックアップモードにおけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２とリアクトルＬｆ１で発生する損失の合計が最小となるように、周波数ｆ１Ｂを設定しても良い。
【００８５】
以上のようにすれば、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、バックアップモード時の電流Ｉｕの最大値を、昇圧モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じ、またはこれより小さい電流にすることができる。また、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の大型化を抑制することができる。さらに、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の銅損の増加を抑制することができる。
【００８６】
図５は、交流電源１が瞬時停電したときに、キャリア信号Ｓｃを切り替える動作を説明するための図である。ここでは、キャリア信号Ｓｃを三角波で示している。
インバータ回路４１が第１の制御モードで動作しているとき、キャリア信号Ｓｃの周波数は、周波数ｆ１Ａである。交流電源１が停電すると、インバータ回路４１の動作はバックアップモード（第３の制御モード）に切り替わる。このとき、キャリア信号Ｓｃの周波数は、周波数ｆ１Ｂに切り替わる。その後、交流電源１が復電すると、インバータ回路４１の動作は第１の制御モードに戻る。このとき、キャリア信号Ｓｃの周波数は、再度、周波数ｆ１Ａとなる。
【００８７】
キャリア信号Ｓｃの切り替えは、キャリア信号の谷の点で行われる。これにより、キャリア信号Ｓｃの連続性と対称性が維持される。
通常、交流電源１の停電は短時間で回復する。したがって、この間、インバータ回路４１が周波数ｆ１Ｂで動作しても、発生損失の増加による温度上昇は問題とならない。
【００８８】
なお、電力変換装置が第２の制御モードで電圧Ｖｕの正側半波を出力するとき、スイッチ素子Ｓ１が第１の素子に選択され、スイッチ素子Ｓ２が第２の素子に選択される。また、電力変換装置が第２の制御モードで電圧Ｖｕの負側半波を出力するとき、スイッチ素子Ｓ２が第１の素子に選択され、スイッチ素子Ｓ１が第２の素子に選択される。そして、いずれの場合も、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、オフしている。
【００８９】
電力変換装置がこの第２の制御モードと第３の制御モードで動作するときの第３の周波数の設定は、上述した第１の制御モードと第３の制御モードで動作する場合と同様に考えることができる。この第３の周波数の設定により、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、第３の制御モード時の電流Ｉｕの最大値を、第２の制御モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じ、またはこれより小さい電流にすることができる。
【００９０】
また、電力変換装置が、第１と第２と第３の制御モードで動作するとき、上記と同様の考え方で、第３の周波数を設定する。この第３の周波数の設定により、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、第３の制御モード時の電流Ｉｕの最大値を、第１および第２の制御モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じ、またはこれより小さい電流にすることができる。
【００９１】
また、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の大型化を抑制することができる。さらに、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の銅損の増加を抑制することができる。
【００９２】
次に、本発明を適用した電力変換装置の第２の実施形態を、図６〜図９を用いて説明する。
図６は、第２の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。図において、１は交流電源、２はコンデンサ、３０は直流電源直列回路、４２はインバータ回路、５はフィルタ回路、６は負荷、１０１は制御回路である。図１に示した第１の実施形態と同じ構成要素については、同一の符号を付している。同一の符号を付した構成要素については、その説明を省略する。
【００９３】
本実施形態の特徴は、インバータ回路４２が、インバータ回路４１の構成に加えて、第２の双方向スイッチを備えていることである。第２の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｓ３とスイッチ素子Ｓ４を逆並列に接続してなる回路である。
第２の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｓ３のコレクタ側が、中性点端子Ｏに接続されている。また、スイッチ素子Ｓ３のエミッタ側が、交流出力端子Ｕに接続されている。したがって、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４のいずれかに電流が流れると、交流出力端子Ｕに中性点端子Ｏの電圧（ゼロ電圧Ｖｚ）が出力される。
【００９４】
インバータ回路４２は、正電圧Ｖｐ，負電圧Ｖｎ，交流電圧Ｖｒおよびゼロ電圧Ｖｚの４レベルの電圧を用いて、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に、単相の交流電圧Ｖｕを出力する。交流電圧Ｖｕは、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する電圧である。
ここで、本実施形態に係る電力変換装置は、第１の実施形態に係る電力変換装置と同様、少なくとも第１と第２と第３の制御モードとを備えている。第１と第２と第３の制御モードの機能は、第１の実施形態で説明した機能と同様である。したがって、これらのモードの機能の説明は省略する。
【００９５】
本実施形態では、各制御モードにおいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４をオンオフさせる動作は、制御期間ごとに行われる。この制御期間は、各素子をオンオフ動作させる周波数に対応した期間である。
また、この実施形態に係る電力変換装置は、各制御期間において、第１と第２の素子を定める。第１と第２の素子は、各制御モードとその動作条件に基づいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４の中から予め選択された素子である。第１と第２の素子は、各制御期間において、交互にオンオフする。第１の素子がオンすると、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に第１の電圧が出力される。また、第２の素子がオンすると、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に第２の電圧が出力される。各制御期間において、この２レベルの電圧からなる電圧Ｖｕは、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する電圧である。
【００９６】
インバータ回路４２は、第１の制御モードのとき、第１の周波数で、第１と第２の素子を交互にオンオフさせる。第１の周波数は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４が制御できる可制御電流ＩｍとリアクトルＬｆ１のインダクタンス値に基づいて定められている。
インバータ回路４２は、第２の制御モードのとき、第２の周波数で、第１と第２の素子を交互にオンオフさせる。第２の周波数は、可制御電流ＩｍとリアクトルＬｆ１のインダクタンス値に基づいて定められている。
出力電流Ｉｕの最大値が可制御電流Ｉｍより小さければ、第１と第２の周波数は、同じ周波数であっても良く、また異なる周波数であってもよい。
【００９７】
インバータ回路４２は、第３の制御モードのとき、第３の周波数で、第１と第２の素子を交互にオンオフさせる。各制御期間において、第１と第２の電圧の変化幅は、第３の制御モードのときに最大になる。したがって、第３の周波数を第１と第２周波数のうち高い方の周波数と同じにすると、出力電流Ｉｕのリプル電流は、第３の制御モードのときに最大になる。
そこで、第３の周波数を、第１と第２周波数のうち高い方の周波数よりも所定倍高い周波数に設定する。このようにすることにより、第３の制御モード時の出力電流Ｉｕの最大値を、第１と第２の制御モード時の出力電流Ｉｕの最大値と略同じかまたはこれらの最大値よりも小さくすることができる。
【００９８】
以下では、昇圧モード（第１の制御モード）時とバックアップモード（第３の制御モード）時の電力変換装置の動作を用いて、本発明の説明をする。なお、降圧モード（第２の制御モード）時と第３の制御モード時の電力変換装置の動作の関係も、同様に考えることができる。
【００９９】
まず、図７、図８を用いて、昇圧モード時のインバータ回路４２の動作を説明する。
図７は、インバータ回路４２が昇圧モードで動作するときのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４の制御信号を説明するための図である。制御回路１０１は、昇圧モードに属する各制御期間において、交流電圧指令Ｖｕ＊と交流電源１の電圧Ｖｒの関係から、各素子の制御信号を生成する。
図において、各欄に記載されている記号の意味は、第１の実施形態に係る図２の場合と同様である。ただし、この図の「制御信号」欄には、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４の制御信号Ｇｓ３，Ｇｓ４の状態が追加されている。
【０１００】
電力変換装置は、次のように領域を判定するとともに、各素子の制御信号Ｇ１，Ｇ２およびＧｓ１〜Ｇｓ４の状態を定める。
交流電圧指令Ｖｕ＊と電圧Ｖｒの関係が、Ｖｕ＊＞Ｖｒのとき、当該制御期間を領域２１とする。領域２１は、インバータ回路４２が電圧Ｖｕの正側半波を出力するための領域である。
また、交流電圧指令Ｖｕ＊と電圧Ｖｒの関係が、Ｖｕ＊≦Ｖｒのとき、当該制御期間を領域２２とする。領域２２は、インバータ回路４２が電圧Ｖｕの負側半波を出力するための領域である。
領域２１および領域２２におけるパルス幅指令αは、次式（７），（８）を用いて算出される。
【０１０１】
【数５】
2014030182.tif 000007
【０１０２】
なお、領域２１，２２のそれぞれにおいて、第１の素子として選択される素子と第２の素子として選択される素子は、予め定められている。また、オンアーム素子またはオフアーム素子となる素子も、予め定められている。
【０１０３】
図７において、「Ｈｏｎ」は、第１の素子に選択された素子の制御信号を示す。「Ｌｏｎ」は、第２の素子に選択された素子の制御信号を示す。制御信号「Ｌｏｎ」は、制御信号「Ｈｏｎ」のハイレベルとローレベルを反転した信号である。「Ｈ」は、オンアーム素子に選択された素子の制御信号を示す。「Ｌ」は、オフアーム素子に選択された素子の制御信号を示す。各信号がハイレベルのとき、対応する素子がオンする。また、各信号がローレベルのとき対応する素子がオフする。
【０１０４】
当該制御期間が領域２１のとき、インバータ回路４２は、領域１１におけるインバータ回路４１と同様の動作をする。また、当該制御期間が領域２２のとき、インバータ回路４２は、領域１２におけるインバータ回路４１と同様の動作をする。
すなわち、領域２１では、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２が交互にオンオフ動作をする。また、領域２２では、スイッチング素子Ｑ２とスイッチ素子Ｓ１が交互にオンオフ動作をする。ただし、領域２１，２２において、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４は、常にオフ状態ある。
【０１０５】
次に、図８を用いて、領域２１において、インバータ回路４２が電圧Ｖｕの正側半波を出力するときの動作を説明する。なお、領域２２においてインバータ回路４２が電圧Ｖｕの負側半波を出力するときの動作は、領域２１における動作と同様に考えることができるので、その説明を省略する。
領域２１において、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオンオフする周波数を周波数ｆ２Ａ（第１の周波数）とする。また、周波数ｆ２Ａの周期をＴ２Ａとする。
【０１０６】
図８（ａ）は、当該制御期間が領域２１のときの第１の素子の制御信号「Ｈｏｎ」を示している。制御信号「Ｈｏｎ」は、当該制御期間Ｔ２Ａにおいて、時間Ｔ２ＡＨの間オンし、その後、時間Ｔ２ＡＬの間オフする信号である。時間Ｔ２ＡＨは、上記式（７）により算出されるパルス幅指令αに対応する時間である。例えば、時間Ｔ２ＡＨは、当該制御期間の周期Ｔ２Ａにパルス幅指令αを乗じて得ることができる。
図８（ｂ）〜（ｇ）は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４のオンオフ状態を示している。図８（ｂ）と図８（ｄ）において斜線を施した部分は、当該素子において電流Ｉｕが流れている期間を示している。なお、本図においても、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２とが同時にオフする休止期間は省略している。
【０１０７】
当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間には、図８（ｈ）に示す電圧Ｖｕが出力される。電圧Ｖｕは、当該制御期間Ｔ２Ａの始点から時間Ｔ２ＡＨの間正電圧Ｖｐとなり、その後、時間Ｔ２ＡＬの間交流電源１の電圧Ｖｒになる。当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に出力される電圧Ｖｕの平均値は、交流電圧指令Ｖｕ＊に等しい。
【０１０８】
また、インバータ回路４２から、図８（ｉ）に示す電流Ｉｕが出力される。電流Ｉｕは、時間Ｔ２ＡＨの間、直流電源直列回路３０の正側端子Ｐ→スイッチング素子Ｑ１→フィルタ回路５および負荷６→直流電源直列回路３０の中性点端子Ｏの経路Ｒ２ＡＨを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸増する。電流Ｉｕは、時間Ｔ２ＡＬの間、フィルタ回路５および負荷６→交流電源１→スイッチ素子Ｓ１→フィルタ回路５および負荷６の経路Ｒ２ＡＬを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸減する。
【０１０９】
以上の動作を各制御期間で行うことにより、電力変換装置は、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する交流電圧Ｖｕを出力し、負荷に電力を供給することができる。
ここで、電流Ｉｕは、上述のとおり、リアクトルＬｆ１を流れる。そして、電流Ｉｕの最大値と最小値との差が、リプル電流Ｉｒ２Ａである。このリプル電流Ｉｒ２Ａの最大値は、電流Ｉｕが可制御電流Ｉｍより小さくなるように定められている。
このリプル電流Ｉｒ２Ａは、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値およびリアクトルＬｆ１に印加される電圧Ｖｐ，Ｖｒとそれぞれの印加時間Ｔ２ＡＨ，Ｔ２ＡＬによって定まる。また、リアクトルＬｆ１に印加される電圧の印加時間は、スイッチング素子Ｑ１とスイッチ素子Ｓ２がオンオフする周波数ｆ２Ａに対応する。
【０１１０】
次に、図９を用いて、バックアップモード時に電圧Ｖｕの正側半波を出力するときのインバータ回路４２の動作を説明する。なお、インバータ回路４２が電圧Ｖｕの負側半波を出力するときの動作は、正側半波を出力する動作と同様に考えることができるので、その説明を省略する。
バックアップモードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互にオンオフ動作をする。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフする周波数を周波数ｆ２Ｂ（第３の周波数）とする。また、周波数ｆ２Ｂの周期をＴ２Ｂとする。
【０１１１】
図９（ａ）は、電圧Ｖｕの正側半波を出力する制御期間における第１の素子の制御信号「Ｈｏｎ」を示している。制御信号「Ｈｏｎ」は、当該制御期間Ｔ２Ｂにおいて、時間Ｔ２ＢＨの間オンし、その後、時間Ｔ２ＢＬの間オフする信号である。時間Ｔ２ＢＨは、後述の式（９）によって算出されるパルス幅指令αに対応する時間である。例えば、時間Ｔ２ＢＨは、当該制御期間の周期Ｔ２Ｂにパルス幅指令αを乗じて得ることができる。
【０１１２】
図９（ｂ）〜（ｇ）は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４のオンオフ状態を示している。スイッチング素子Ｑ１は、当該制御期間Ｔ２Ｂにおいて、制御信号Ｈｏｎに同期して、オンオフ動作を行う。スイッチ素子Ｓ４は、制御信号Ｈｏｎのハイレベルとローレベルを反転した信号に同期して、オンオフ動作をする。当該制御期間Ｔ２Ｂにおいて、スイッチ素子Ｓ３はオンし、スイッチング素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２はオフのままである。
図９（ｂ）と図９（ｆ）において斜線を施した部分は、当該素子において電流Ｉｕが流れている期間を示している。
【０１１３】
バックアップモードにおいて、電圧Ｖｕの正側半波と負側半波を出力するときのパルス幅指令αは次式（９），（１０）を用いて算出される。
【０１１４】
【数６】
2014030182.tif 000008
【０１１５】
当該制御信号において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間には、図９（ｈ）に示す電圧Ｖｕが出力される。電圧Ｖｕは、当該制御期間の始点から時間Ｔ２ＢＨの間正電圧Ｖｐとなり、その後、時間Ｔ２ＢＬの間ゼロ電圧Ｖｚになる。当該制御期間において、交流出力端子Ｕ−Ｖ間に出力される電圧Ｖｕの平均値は、交流電圧指令Ｖｕ＊に等しい。
【０１１６】
また、インバータ回路４２から、図９（ｉ）に示す電流Ｉｕが出力される。電流Ｉｕは、時間Ｔ２ＢＨの間、直流電源直列回路３０の正側端子Ｐ→スイッチング素子Ｑ１→フィルタ回路５および負荷６→直流電源直列回路３０の中性点端子Ｏの経路Ｒ２ＢＨを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸増する。電流Ｉｕは、時間Ｔ２ＢＬの間、フィルタ回路５および負荷６→中性点端子Ｏ→スイッチ素子Ｓ３→フィルタ回路５および負荷６の経路Ｒ２ＢＬを流れる。このとき、電流Ｉｕは漸減する。この電流Ｉｕの最大値と最小値との差が、リプル電流Ｉｒ２Ｂである。
【０１１７】
以上の動作を各制御期間で行うことにより、電力変換装置は、交流電源１が停電しても、交流電圧指令Ｖｕ＊に対応する交流電圧Ｖｕを出力することができる。
【０１１８】
ここで、電流Ｉｕの基本波が最大となる位相の近傍に生じるリプル電流Ｉｒ２Ｂの増加を抑制する。そして、リプル電流Ｉｒ２Ｂが、昇圧モード時に同位相の近傍に生じるリプル電流Ｉｒ２Ａと略同じになるようにする。そうすれば、バックアップモード時の電流Ｉｕの最大値を、昇圧モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じにすることができる。
そのために、周波数ｆ２Ｂを周波数ｆ２Ａよりも高い周波数に設定する。
【０１１９】
例えば、バックアップモード時と昇圧モード時の当該制御期間における電圧変化幅の比に応じて、周波数ｆ２Ｂを設定する。この場合、周波数ｆ２Ｂを次式（１１）で算出する。
【０１２０】
【数７】
2014030182.tif 000009
【０１２１】
なお、直流電源Ｐｓｐの電圧Ｖｐと直流電源Ｐｓｎの電圧Ｖｎの絶対値は同じである。したがって、周波数ｆ２Ｂは、直流電源Ｐｓｎの電圧Ｖｎを用いて算出することもできる。
このように周波数ｆ２Ｂを設定すれば、時間Ｔ２ＢＨが周波数ｆ２Ｂに逆比例して短くなるため、リプル電流Ｉｒ２Ｂの増加を抑制することができる。したがって、リプル電流Ｉｒ２Ｂがリプル電流Ｉｒ２Ａと略同じになるように、周波数ｆ２Ｂを設定すればよい。
【０１２２】
また、電流Ｉｕの基本波が最大となる位相の近傍において、バックアップモード時の時間Ｔ２ＢＨ，Ｔ２ＢＬそれぞれでリアクトルＬｆ１に印加される電圧時間積の差と、昇圧モード時の時間Ｔ２ＡＨ，Ｔ２ＡＬそれぞれでリアクトルＬｆ１に印加される電圧時間積の差とが、略同じになるようにしても良い。例えば、次式（１２）を満たすように周波数ｆ２Ｂを設定する。
【０１２３】
【数８】
2014030182.tif 000010
【０１２４】
式（１２）を満たすように周波数ｆ２Ｂを設定すれば、バックアップモード時にリアクトルＬｆ１に印加される電圧時間積の差が、昇圧モード時に印加される電圧時間積の差と略同じになる。それゆえ、リプル電流Ｉｒ２Ｂの増加が抑制されて、リプル電流Ｉｒ２Ｂがリプル電流Ｉｒ２Ａと略同じになる。
【０１２５】
また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４とリアクトルＬｆ１の温度上昇が許容されるのであれば、周波数ｆ２Ｂを上記の周波数よりも高い周波数とすることもできる。この場合、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、リプル電流Ｉｒ２Ｂをリプル電流Ｉｒ２Ａより小さい電流にすることができる。
【０１２６】
また、バックアップモードにおけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４とリアクトルＬｆ１で発生する損失の合計が最小となるように、周波数ｆ２Ｂを設定しても良い。
【０１２７】
以上のようにすれば、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、バックアップモード時の電流Ｉｕの最大値を、昇圧モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じ、またはこれより小さい電流にすることができる。また、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の大型化を抑制することができる。さらに、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の銅損の増加を抑制することができる。
【０１２８】
なお、第１の実施形態で示した図５と同様に、キャリア信号Ｓｃは、谷の点で切り替えることができる。これにより、キャリア信号Ｓｃの連続性と対称性が維持される。
また、通常、交流電源１の停電は短時間で復電するため、この間、インバータ回路４２が周波数ｆ２Ｂで動作しても、発生損失の増加による温度上昇は問題とならない。
【０１２９】
なお、電力変換装置が第２の制御モードで電圧Ｖｕの正側半波を出力するとき、スイッチ素子Ｓ１が第１の素子に選択され、スイッチ素子Ｓ３が第２の素子に選択される。また、電力変換装置が第２の制御モードで電圧Ｖｕの負側半波を出力するとき、スイッチ素子Ｓ２が第１の素子に選択され、スイッチ素子Ｓ４が第２の素子に選択される。そして、いずれの場合も、他の素子はオフしている。ただし、これは一例であり、交流電源１の電圧を降圧することができれば、他の組合せで第１と第２の素子を選択しても良い。
【０１３０】
電力変換装置がこの第２の制御モードと第３の制御モードで動作するときの第３の周波数の設定は、上述した第１の制御モードと第３の制御モードで動作する場合と同様に考えることができる。この第３の周波数の設定により、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、第３の制御モード時の電流Ｉｕの最大値を、第２の制御モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じ、またはこれより小さい電流にすることができる。
【０１３１】
また、電力変換装置が、第１と第２と第３の制御モードで動作するとき、上記と同様の考え方で、第３の周波数を設定する。この第３の周波数の設定により、リアクトルＬｆ１のインダクタンス値を増やすことなく、第３の制御モード時の電流Ｉｕの最大値を、第１および第２の制御モード時の電流Ｉｕの最大値と略同じ、またはこれより小さい電流にすることができる。
【０１３２】
また、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の大型化を抑制することができる。さらに、リアクトルＬｆ１のコイルの巻数を増やす必要がないので、リアクトルＬｆ１の銅損の増加を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明を適用した電力変換装置は、瞬時電圧低下補償装置または無停電電源装置など、交流電源の電圧変動および交流電源の停電が発生しても、負荷に安定な電圧を供給するための装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１                  交流電源
２                  コンデンサ
３                  コンバータ回路
３０                直流電源直列回路
４１，４２          インバータ回路
５                  フィルタ回路
６                  負荷
１００，１０１      制御回路
【図１】
2014030182.tif 000011
【図２】
2014030182.tif 000012
【図３】
2014030182.tif 000013
【図４】
2014030182.tif 000014
【図５】
2014030182.tif 000015
【図６】
2014030182.tif 000016
【図７】
2014030182.tif 000017
【図８】
2014030182.tif 000018
【図９】
2014030182.tif 000019
【図１０】
2014030182.tif 000020
【図１１】
2014030182.tif 000021
【図１２】
2014030182.tif 000022
【図１３】
2014030182.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月24日(2015.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とし、
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流が、前記位相の近傍において前記第１または第２の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流と略同じ大きさになるようにまたはこのリプル電流より小さくなるように定められていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とし、
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅を、前記位相の近傍において前記第１または第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅で除して得られる係数を、前記第１の周波数に乗じて得られる周波数と略同じになるようにまたはこの周波数より大きくなるように定められていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とし、
前記インバータが、前記第１または第２の制御モードのいずれかの制御モードと前記第３の制御モードとを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差が、前記位相の近傍において前記第１または第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差と略同じになるようにまたはこの電圧時間積の差より小さくなるように定められていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とし、
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時のインバータ出力電流に含まれるリプル電流が、前記位相の近傍において前記第１と第２の制御モード時のインバータ出力電流のいずれかに含まれるリプル電流と略同じ大きさとなるようにまたはこのリプル電流よりも小さくなるように定められていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とし、
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅を、前記位相の近傍において前記第１と第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される電圧変化幅のいずれかで除して得られる係数を、前記第１の周波数に乗じて得られる周波数と略同じになるようにまたはこの周波数より大きくなるように定められていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
第１と第２の直流電源を直列接続してなる直流電源直列回路の電圧と、第１と第２の直流電源の接続点にその一端が接続される交流電源の電圧とを用いて所定の交流電圧を出力するインバータを備え、
前記インバータは、
第１と第２のスイッチング素子を直列接続してなり、前記直流電源直列回路の両端に接続されるスイッチング素子直列回路と、
一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される第１の双方向スイッチと、
前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と負荷との間に接続されるリアクトルと、を有して、
前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧とを用いて前記交流電源の電圧よりも高い所定の交流電圧を生成する第１の制御モードと、前記交流電源の電圧と前記直流電源直列回路の電圧のうち少なくとも前記交流電源の電圧を用いることによって前記交流電源の電圧よりも低い所定の交流電圧を生成する第２の制御モードと、前記直流電源直列回路の電圧を用いて所定の交流電圧を生成する第３の制御モードのうち、少なくとも第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかと第３の制御モードとを含む２以上の制御モードで動作し、
前記第１の制御モードで第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第１の周波数とし、
前記第２の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を第２の周波数とし、
前記第３の制御モードで前記第１と第２のスイッチング素子をオンオフ動作させるとき、そのオンオフ動作させる周波数を、前記第１と第２の周波数よりも高い第３の周波数とし、
前記インバータが前記第１と第２と第３の制御モードを有して動作するとき、
前記第３の周波数は、インバータ出力電流の基本波が最大となる位相の近傍において前記第３の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差が、前記位相の近傍において前記第１と第２の制御モード時に前記リアクトルに印加される２つのレベルの電圧それぞれの電圧時間積の差のいずれかと略同じとなるようにまたはこの電圧時間積の差より小さくなるように定められていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記インバータは、さらに、前記第１と第２のスイッチング素子の接続点と前記第１と第２の直流電源の接続点との間に接続される第２の双方向スイッチを有していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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【国際調査報告】
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