(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導通方向を制御可能な複数の双方向スイッチを有し、交流電源の各相に接続される複数の入力端子と負荷の各相に接続される複数の出力端子との間に前記複数の双方向スイッチが設けられた電力変換部と、
前記複数の双方向スイッチを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記双方向スイッチの導通方向が片方向である状態から転流制御を行う第１の転流制御部と、
前記双方向スイッチの導通方向が双方向である状態から転流制御を行う第２の転流制御部と、
前記電力変換部の出力電流の大きさおよび位相のうち少なくとも一方の検出値または推定値に基づき、前記第１の転流制御部および前記第２の転流制御部の中から転流制御を実行する転流制御部を選択する選択部と、を備え、
前記選択部は、
前記出力電流の大きさが所定電流閾値以上であるか、または、前記出力電流の大きさが前記所定電流閾値未満かつ前記交流電源の相間電圧が所定電圧閾値未満である場合に前記第１の転流制御部を選択し、
前記出力電流の大きさが前記所定電流閾値未満であり、かつ、前記相間電圧が前記所定電圧閾値以上である場合に前記第２の転流制御部を選択する
ことを特徴とするマトリクスコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、マトリクスコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マトリクスコンバータは、交流電源と負荷とを接続する複数の双方向スイッチを有しており、これらの双方向スイッチを制御して交流電源の各相電圧を直接スイッチングすることで負荷へ任意の電圧・周波数を出力する。
【０００３】
かかるマトリクスコンバータでは、負荷に接続する交流電源の相を双方向スイッチにより切り替える転流動作が行われる。かかる転流動作に関し、双方向スイッチの導通方向を出力電流の極性に応じた片方向として双方向スイッチのスイッチングを行う転流法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Marcus Ziegler & Wilfried Hofmann、“Rectifier based robust control of bidirectional switches in AC-AC matrix converters”、EPE-PEMC 2002 Dubrovnik & Cavtat
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した転流法は、転流動作に要する時間が短いため、電圧精度を高めることができるが、出力電流の極性検出精度によっては正常な転流動作が行われず、出力電圧の精度が悪くなるおそれがある。
【０００６】
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、出力電圧の精度を向上させることができるマトリクスコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一態様に係るマトリクスコンバータは、電力変換部と、第１の転流制御部と、第２の転流制御部と、選択部とを備える。前記電力変換部は、導通方向を制御可能な複数の双方向スイッチを有し、交流電源の各相に接続される複数の入力端子と負荷の各相に接続される複数の出力端子との間に前記複数の双方向スイッチが設けられる。前記第１の転流制御部は、前記双方向スイッチの導通方向が片方向である状態から転流制御を行う。前記第２の転流制御部は、前記双方向スイッチの導通方向が双方向である状態から転流制御を行う。前記選択部は、前記電力変換部の出力電流の状態に基づき、前記第１の転流制御部および前記第２の転流制御部の中から転流制御を実行する転流制御部を選択する。
【発明の効果】
【０００８】
実施形態の一態様によれば、出力電圧の精度を向上させることができるマトリクスコンバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係るマトリクスコンバータの構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す双方向スイッチの構成例を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す制御部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、各出力相に出力される入力相電圧の切り替わりを示す図である。
【図５】図５は、複数の双方向スイッチの片方向スイッチとゲート信号との対応関係を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、１ステップ電流転流動作において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、１ステップ電流転流動作において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、図６Ａに示す１ステップ電流転流動作における片方向スイッチの状態を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図６Ｂに示す１ステップ電流転流動作における片方向スイッチの状態を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、他の１ステップ電流転流動作において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、他の１ステップ電流転流動作において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、２ステップ電流転流動作において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、２ステップ電流転流動作において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、４ステップ電圧転流法における、出力相電圧、ゲート信号、および、転流動作の各ステップとの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す４ステップ電圧転流法における片方向スイッチの状態を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、３ステップ電圧転流法において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、３ステップ電圧転流法において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１３】図１３は、２ステップ電圧転流法における、出力相電圧、ゲート信号、および、転流動作の各ステップとの関係を示す図である。
【図１４】図１４は、他の２ステップ電圧転流法における片方向スイッチの状態を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、４ステップ電流転流法において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、４ステップ電流転流法において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、３ステップ電流転流法において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、３ステップ電流転流法において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、他の３ステップ電流転流法において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、他の３ステップ電流転流法において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、３ステップ電圧電流転流法において出力相電流が正である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、３ステップ電圧電流転流法において出力相電流が負である場合の、出力相電圧およびゲート信号の関係を示す図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、出力電流の目標波形を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、片方向スイッチング転流法での転流失敗によって生じる出力電流の出力状態を示す図である。
【図２０】図２０は、第１の選択モードにおいて選択される転流制御部と出力電流との関係を示す図である。
【図２１】図２１は、第１の選択モードと第２の選択モードの相違点を示す図である。
【図２２】図２２は、図３に示す選択部の構成を示す図である。
【図２３】図２３は、図３に示す選択部の他の構成を示す図である。
【図２４】図２４は、図３に示す選択部の他の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本願の開示するマトリクスコンバータの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
［１．マトリクスコンバータの構成］
図１は、実施形態に係るマトリクスコンバータの構成例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係るマトリクスコンバータ１は、３相交流電源２（以下、単に交流電源２と記載する）と負荷３との間に設けられる。負荷３は、例えば、交流電動機である。なお、以下においては、交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相を入力相と記載し、負荷３のＵ相、Ｖ相およびＷ相を出力相と記載する。
【００１２】
マトリクスコンバータ１は、入力端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔおよび出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗを備える。入力端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔには交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相が接続され、出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗには負荷３のＵ相、Ｖ相およびＷ相が接続される。マトリクスコンバータ１は、交流電源２から入力端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔを介して供給される３相交流電力を任意の電圧および周波数の３相交流電力に変換して出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗから負荷３へ出力する。
【００１３】
かかるマトリクスコンバータ１は、図１に示すように、電力変換部１０と、ＬＣフィルタ１１と、入力電圧検出部１２と、出力電流検出部１３と、制御部１４とを備える。
【００１４】
電力変換部１０は、交流電源２の各相と負荷３の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗ（以下、双方向スイッチＳと総称する場合がある）を備える。
【００１５】
双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕは、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と負荷３のＵ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖは、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と負荷３のＶ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗは、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と負荷３のＷ相とをそれぞれ接続する。
【００１６】
双方向スイッチＳは、片方向スイッチおよびダイオードとの直列接続体を逆並列接続して構成される。図２は、双方向スイッチＳの構成例を示す図である。図２に示すように、双方向スイッチＳは、片方向スイッチＳｉｏとダイオードＤｉｏとの直列接続体２０と、片方向スイッチＳｏｉとダイオードＤｏｉとの直列接続体２１とを逆並列接続して構成される。
【００１７】
なお、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）などの半導体スイッチング素子である。また、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮであってもよい。
【００１８】
双方向スイッチＳは、図２に示す構成に限定されるものではない。例えば、双方向スイッチＳは、ダイオードＤｉｏのカソードとダイオードＤｏｉのカソードとを接続しない構成でもよい。また、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉが例えば逆阻止ＩＧＢＴである場合、双方向スイッチＳは、ダイオードＤｉｏおよびダイオードＤｏｉを設けず、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉを逆並列接続した構成でもよい。逆阻止ＩＧＢＴは、逆バイアス（ＩＧＢＴのコレクタ側よりもエミッタ側が高圧になった状態）に対する耐量を備えたＩＧＢＴである。
【００１９】
ＬＣフィルタ１１は、交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相と電力変換部１０との間に設けられ、電力変換部１０から交流電源２へと流れ込む高周波電流の発生を抑制する。具体的には、ＬＣフィルタ１１は、３つのリアクトルＬｒ、Ｌｓ、Ｌｔと３つのコンデンサＣｒｓ、Ｃｓｔ、Ｃｔｒによって構成され、電力変換部１０を構成する双方向スイッチＳのスイッチングに起因する高周波成分を除去する。
【００２０】
入力電圧検出部１２は、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電圧値Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔ（以下、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔと記載する）を検出する。なお、以下、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔを総称して入力電圧Ｖｉと記載する場合がある。また、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒを総称して入力相間電圧Ｅｓａと記載する場合がある。Ｅｒｓ＝Ｅｒ−Ｅｓ、Ｅｓｔ＝Ｅｓ−Ｅｔ、Ｅｔｒ＝Ｅｔ−Ｅｒである。
【００２１】
出力電流検出部１３は、電力変換部１０と負荷３との間に流れる電流を検出する。具体的には、出力電流検出部１３は、電力変換部１０と負荷３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれとの間に流れる電流の瞬時値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（以下、出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと記載する）を検出する。なお、以下、出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを総称して出力電流Ｉｏと記載する場合がある。また、電力変換部１０から負荷３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに出力される電圧の瞬時値を出力相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと記載し、出力相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを総称して出力電圧Ｖｏと記載する場合がある。
【００２２】
制御部１４は、入力電圧検出部１２により検出された入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔおよび出力電流検出部１３により検出された出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて、ゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを生成する。以下、ゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗをゲート信号Ｓｇと総称する場合がある。
【００２３】
［２．制御部１４の構成］
図３は、制御部１４の構成例を示す図である。図３に示すように、制御部１４は、電圧指令演算部３０と、ＰＷＭデューティ比演算部３１と、転流部３２とを有する。かかる制御部１４は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。かかるマイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、電圧指令演算部３０、ＰＷＭデューティ比演算部３１および転流部３２として機能する。なお、制御部１４は、プログラムを用いずにハードウェアのみで構成してもよい。
【００２４】
［２．１．電圧指令演算部３０］
電圧指令演算部３０は、周波数指令ｆ*および出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づき、各出力相の電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*（以下、電圧指令Ｖｏ*と総称する場合がある）を生成して出力する。周波数指令ｆ*は、出力相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの周波数の指令である。
【００２５】
［２．２．ＰＷＭデューティ比演算部３１］
ＰＷＭデューティ比演算部３１は、電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*および入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔに基づき、ＰＷＭ電圧指令Ｖｕ１＊、Ｖｖ１＊、Ｖｗ１＊を生成する。ＰＷＭ電圧指令Ｖｕ１＊、Ｖｖ１＊、Ｖｗ１＊を生成する技術は、公知技術であり、例えば、特開２００８−０４８５５０号公報、特開２０１２−２３９２６５号公報などに記載されている技術が用いられる。
【００２６】
例えば、ＰＷＭデューティ比演算部３１は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔの大きさの大小関係が変化しない期間において、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔの大きさが大きい順に入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとする。ＰＷＭデューティ比演算部３１は、電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの各電圧値に対応したパルス幅変調信号に変換し、それぞれＰＷＭ電圧指令Ｖｕ１＊、Ｖｖ１＊、Ｖｗ１＊として出力する。なお、以下において、ＰＷＭ電圧指令Ｖｕ１＊、Ｖｖ１＊、Ｖｗ１＊をＰＷＭ電圧指令Ｖｏ１＊と総称する場合がある。
【００２７】
［２．３．転流部３２］
転流部３２は、負荷３に接続する交流電源２の相を双方向スイッチＳにより切り替える転流制御を実行する。具体的には、転流部３２は、ＰＷＭ電圧指令Ｖｕ１＊、Ｖｖ１＊、Ｖｗ１＊に対し、出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ毎の極性、および、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎに基づいて転流時における双方向スイッチＳの切り替え順序を決定する。転流部３２は、決定した切り替え順序に基づき、ゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを生成する。
【００２８】
ゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗは、電力変換部１０を構成する双方向スイッチＳの片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉにそれぞれ入力され、これにより、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉがオン／オフ制御される。
【００２９】
図４は、各出力相に出力される入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの切り替わりを示す図である。図４に示すように、ゲート信号Ｓｇによる双方向スイッチＳの制御により、パルス幅変調信号であるＰＷＭ電圧指令Ｖｏ１＊の１周期Ｔｃにおいて、各出力相に出力される入力相電圧は、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎへと切り替わる。なお、出力相に出力される入力相電圧の切り替わりは、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎに限定されるものではない。
【００３０】
図５は、複数の双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗの片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉとゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗとの対応関係を示す図である。なお、図５において、ＬＣフィルタ１１や出力電流検出部１３は省略している。
【００３１】
双方向スイッチＳｒｕの片方向スイッチＳｉｏ（図２参照）は、ゲート信号Ｓ１ｕによってオン／オフ制御され、双方向スイッチＳｒｕの片方向スイッチＳｏｉ（図２参照）は、ゲート信号Ｓ２ｕによって制御される。また、双方向スイッチＳｓｕの片方向スイッチＳｉｏは、ゲート信号Ｓ３ｕによってオン／オフ制御され、双方向スイッチＳｓｕの片方向スイッチＳｏｉは、ゲート信号Ｓ４ｕによって制御される。また、双方向スイッチＳｔｕの片方向スイッチＳｉｏは、ゲート信号Ｓ５ｕによってオン／オフ制御され、双方向スイッチＳｔｕの片方向スイッチＳｏｉは、ゲート信号Ｓ６ｕによって制御される。
【００３２】
同様に、双方向スイッチＳｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖの片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉは、ゲート信号Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖによってオン／オフ制御される。また、双方向スイッチＳｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗの片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉは、ゲート信号Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗによってオン／オフ制御される。
【００３３】
図３に戻って制御部１４の説明を続ける。転流部３２は、第１の転流制御部４１と、第２の転流制御部４２と、選択部４３とを備える。第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２は、いずれも、双方向スイッチの切り替え順序を決定してゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを生成することができる。
【００３４】
選択部４３は、出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの状態に基づき、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の一方を選択し、選択した転流制御部からゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを出力させる。これにより、出力電圧Ｖｏの精度を向上させることができる。以下、第１の転流制御部４１、第２の転流制御部４２および選択部４３の構成について具体的に説明する。
【００３５】
［２．３．１．第１の転流制御部４１］
第１の転流制御部４１は、双方向スイッチＳの導通方向が片方向である状態から転流制御を行う。かかる転流制御による転流法（以下、片方向スイッチング転流法と記載する）では、双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのうち、一方の片方向スイッチをオフし、他方の片方向スイッチがオン／オフ制御される。そのため、片方向スイッチング転流法では、転流動作に要する時間が短く、電圧精度を高めることができる。
【００３６】
片方向スイッチング転流法には、例えば、１ステップ電流転流法や２ステップ電流転流法などがある。第１の転流制御部４１は、内部パラメータの設定により、いずれの転流法による転流制御も行うことができるように構成される。第１の転流制御部４１は、片方向スイッチング転流法による転流動作を含むＰＷＭ制御を行うゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを生成する。
【００３７】
まず、１ステップ電流転流法について、以下、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。なお、以下においては、各転流法をＵ相を例に挙げて説明し、同様の転流動作であるＶ相やＷ相については説明を省略するものとする。また、交流電源２から負荷３へ流れる出力電流Ｉｏの極性を正（Ｉｏ＞０）とする。
【００３８】
図６Ａおよび図６Ｂは、１ステップ電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。図６Ａは、出力相電流Ｉｕが正である場合の転流動作を示し、図６Ｂは、出力相電流Ｉｕが負である場合の転流動作を示す。また、図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ図６Ａおよび図６Ｂに示す時刻ｔ０〜ｔ５での片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉの状態を示す図である。なお、Ｅｐ＝Ｅｒ、Ｅｍ＝Ｅｓ、Ｅｎ＝Ｅｔの状態であるとする。
【００３９】
出力相電流Ｉｕが正である場合、図６Ａに示すように、転流動作前の時刻ｔ０においては、ゲート信号Ｓ５ｕがＨｉｇｈレベルであり、ゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ４ｕ、Ｓ６ｕがＬｏｗレベルである。この状態では、図７Ａに示すように、切り替え元の双方向スイッチである双方向スイッチＳｔｕにおいて出力相電流Ｉｕが流れる方向と同じ導通方向の片方向スイッチＳｉｏがオンであり、もう一方の片方向スイッチＳｏｉがオフである。この状態では、Ｕ相に出力される入力相電圧はＥｎである。
【００４０】
その後、転流動作を開始する時刻ｔ１において、ゲート信号Ｓ３ｕがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ変化する。これにより、図７Ａに示すように、切り替え先の双方向スイッチである双方向スイッチＳｓｕにおいて出力相電流Ｉｕが流れる方向と同じ導通方向の片方向スイッチＳｉｏがオンになる。その結果、Ｕ相に出力される入力相電圧がＥｎからＥｍに切り替えられ、Ｕ相への入力相電圧の出力が継続される。また、双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕにおいて、出力相電流Ｉｕが流れる方向と導通方向が逆の片方向スイッチＳｏｉはいずれもオフであることから、交流電源２の相間短絡は発生しない。
【００４１】
次に、時刻ｔ２において、ゲート信号Ｓ１ｕがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ変化する。これにより、図７Ａに示すように、切り替え先の双方向スイッチである双方向スイッチＳｒｕにおいて出力相電流Ｉｕが流れる方向と同じ導通方向の片方向スイッチＳｉｏがオンになる。その結果、交流電源２の相間短絡は発生することなく、Ｕ相に出力される入力相電圧がＥｐに切り替えられ、Ｕ相への入力相電圧の出力が継続される。
【００４２】
次に、時刻ｔ４において、ゲート信号Ｓ１ｕがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化する。これにより、図７Ａに示すように、切り替え先の双方向スイッチである双方向スイッチＳｒｕの片方向スイッチＳｉｏがオフになる。その結果、交流電源２の相間短絡は発生することなく、Ｕ相に出力される入力相電圧がＥｍに切り替えられ、Ｕ相への入力相電圧の出力が継続される。
【００４３】
次に、時刻ｔ５において、ゲート信号Ｓ３ｕがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化することで、図７Ａに示すように、切り替え先の双方向スイッチである双方向スイッチＳｓｕの片方向スイッチＳｉｏがオフになる。これにより、交流電源２の相間短絡は発生することなく、Ｕ相に出力される入力相電圧がＥｎに切り替えられ、Ｕ相への入力相電圧の出力が継続される。
【００４４】
図６Ｂに示す時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４、ｔ５においても、図６Ａに示すｔ１、ｔ２、ｔ４、ｔ５の場合と同様に、図７Ｂに示すように、出力相電流Ｉｕが流れる方向と同じ導通方向の片方向スイッチＳｏｉのスイッチング処理が行われる。
【００４５】
このように、１ステップ電流転流動作では、交流電源２の相間短絡やマトリクスコンバータ１の出力相の開放などを防止しつつ、出力相電圧Ｖｕとして出力する電圧を、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎへ変更することができる。また、１ステップ電流転流動作では、１ステップ毎に出力相に出力する入力相電圧を切り替えることができるため、転流動作に要する時間が短く、出力相の電圧精度を高めることができる。
【００４６】
上述した１ステップ電流転流動作では、各出力相に出力する入力相電圧に対応する一方の片方向スイッチに加え、各出力相に出力する入力相電圧よりも絶対値が小さい入力相電圧に対応する一方の片方向スイッチをオンにする。しかし、１ステップ電流転流動作は、かかるスイッチ制御に限定されるものではない。
【００４７】
例えば、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、ステップ毎に各出力相に出力する入力相電圧に対応する一方の片方向スイッチのみをオンにする１ステップ電流転流法でもよい。図８Ａおよび図８Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂに対応する図であり、他の１ステップ電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。
【００４８】
また、片方向スイッチング転流法には、上述のように、ステップ１およびステップ２の２ステップで各出力相に出力する入力相電圧を切り替える２ステップ電流転流法がある。かかる２ステップ電流転流法は、切り替え先の双方向スイッチＳのうち出力電流Ｉｏと導通方向が同方向の片方向スイッチをオンにした後（ステップ１）、切り替え元の双方向スイッチＳのうち出力電流Ｉｏと導通方向が同方向の片方向スイッチをオフにする（ステップ２）。
【００４９】
図９Ａおよび図９Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂに対応する２ステップ電流転流法の説明図である。すなわち、図９Ａおよび図９Ｂは、２ステップ電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。なお、１ステップ間の間隔Ｔｄ（以下、ステップ間隔Ｔｄと記載する）は、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのターンオン時間よりも長い時間に設定される。なお、説明の便宜上、ステップ間隔Ｔｄを同じ値にしているが、それぞれ異なる値に設定してもよい。
【００５０】
［２．３．２．第２の転流制御部４２］
第２の転流制御部４２は、双方向スイッチＳの導通方向が双方向である状態から転流制御を行う。かかる転流制御による転流法（以下、双方向スイッチング転流法と記載する）では、転流動作の前後で切り替え元と切り替え先の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉが共にオンに制御される。そのため、双方向スイッチング転流法では、出力電流Ｉｏの極性を間違えた場合でも、転流動作期間のみの転流失敗となる。転流失敗とは、交流電源２の相間短絡または出力相の開放になる状態である。
【００５１】
双方向スイッチング転流法には、例えば、４ステップ電圧転流法、３ステップ電圧転流法、２ステップ電圧転流法、４ステップ電流転流法、３ステップ電流転流法、３ステップ電流電圧転流法などがある。第２の転流制御部４２は、内部パラメータの設定により、いずれの転流法による転流制御も行うことができるように構成される。第２の転流制御部４２は、双方向スイッチング転流法による転流動作を含むＰＷＭ制御を行うゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖ、Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを生成する。
【００５２】
（４ステップ電圧転流法）
まず、４ステップ電圧転流法について説明する。４ステップ電圧転流法では、入力相間の短絡と出力相の開放を防止するために、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔの大小関係に基づいて、切り替え前後の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのオン／オフの順番を決定する転流方法である。かかる４ステップ電圧転流法では、次のステップ１〜ステップ４からなるスイッチングパターンで転流動作が行われる。かかる４ステップ電圧転流動作では、出力電流Ｉｏの極性でスイッチングパターンを変える必要はない。
ステップ１：  切り替え先の逆バイアスされる片方向スイッチをオンにする。
ステップ２：  切り替え元の逆バイアスされる片方向スイッチをオフにする。
ステップ３：  切り替え先の順バイアスされる片方向スイッチをオンにする。
ステップ４：  切り替え元の順バイアスされる片方向スイッチをオフにする。
なお、片方向スイッチＳｉｏにおいては、転流動作直前で入力側電圧の方が出力側電圧よりも低い状態を逆バイアスといい、入力側電圧の方が高い状態を順バイアスというものとする。また、片方向スイッチＳｏｉにおいては、転流動作直前で入力側電圧の方が出力側電圧よりも低い状態を順バイアスといい、入力側電圧の方が高い状態を逆バイアスというものとする。
【００５３】
図１０は、４ステップ電圧転流法における、出力相電圧Ｖｕ、ゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕ、および、転流動作の各ステップとの関係を示す図である。また、図１１は、図１０に示す時刻ｔ０〜ｔ１７での片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉの状態を示す図である。なお、Ｅｐ＝Ｅｒ、Ｅｍ＝Ｅｓ、Ｅｎ＝Ｅｔの状態であるとする。
【００５４】
図１０に示すように、時刻ｔ１において、ゲート信号Ｓ４ｕがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ変化する。これにより、図１１に示すように、切り替え先の双方向スイッチである双方向スイッチＳｓｕにおいて片方向スイッチＳｏｉがオンになる（ステップ１）。
【００５５】
次いで、時刻ｔ２において、ゲート信号Ｓ６ｕがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化する。これにより、図１１に示すように、切り替え元の双方向スイッチである双方向スイッチＳｔｕにおいて片方向スイッチＳｏｉがオフになる（ステップ２）。
【００５６】
次いで、時刻ｔ３において、ゲート信号Ｓ３ｕがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ変化することで、図１１に示すように、双方向スイッチＳｓｕにおいて片方向スイッチＳｏｉがオンになる（ステップ３）。
【００５７】
次いで、時刻ｔ４において、ゲート信号Ｓ５ｕがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化することで、図１１に示すように、双方向スイッチＳｔｕにおいて片方向スイッチＳｉｏがオフになる（ステップ４）。
【００５８】
図１０に示す時刻ｔ５〜ｔ８、ｔ１０〜ｔ１３、ｔ１４〜ｔ１７においても、時刻ｔ１〜ｔ４の場合と同様に、図１１に示すように、ステップ１〜ステップ４からなるスイッチング処理が行われる。なお、ステップ間隔Ｔｄは、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのターンオン時間およびターンオフ時間よりも長い時間に設定される。また、説明の便宜上、ステップ間隔Ｔｄを同じ値にしているが、それぞれ異なる値に設定してもよい。このことは、以下の転流法についても、同様である。
【００５９】
このように、４ステップ電圧転流法による転流制御を行うことで、交流電源２の相間短絡やマトリクスコンバータ１の出力相の開放などを防止しつつ、出力相電圧Ｖｕとして出力する電圧を、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎへ変更することができる。
【００６０】
（３ステップ電圧転流法）
３ステップ電圧転流法は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔの大小関係および出力電流Ｉｏの極性に基づいて行われる３ステップの転流法であり、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように転流動作が行われる。
【００６１】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１０に対応する図であり、３ステップ電圧転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。図１２Ａは、出力相電流Ｉｕが正である場合の転流動作を示し、図１２Ｂは、出力相電流Ｉｕが負である場合の転流動作を示す。
【００６２】
３ステップ電圧転流法では、例えば、図１２Ａに示すように、出力電流Ｉｏの極性が正であり、かつ、出力相電圧Ｖｕとして出力する電圧を上昇させる場合、次のステップ１〜ステップ３からなるスイッチングパターンで転流動作が行われる。
ステップ１：  切り替え先の逆バイアスされる片方向スイッチをオンにし、切り替え元の逆バイアスされる片方向スイッチをオフにする。
ステップ２：  切り替え先の順バイアスされる片方向スイッチをオンにする。
ステップ３：  切り替え元の順バイアスされる片方向スイッチをオフにする。
【００６３】
（２ステップ電圧転流法）
２ステップ電圧転流法は、転流動作の前後で、出力相に出力する入力相電圧に対応する双方向スイッチＳでは片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉが共にオンであり、かつ、残りの双方向スイッチＳでは一方の片方向スイッチのみがオンである転流法である。
【００６４】
図１３は、図１０に対応する図であり、２ステップ電圧転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。なお、ステップ間隔Ｔｄは、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのターンオフ時間よりも長い時間に設定される。
【００６５】
また、２ステップ電圧転流法には、図１３に示すもの以外に、図１４に示す転流法がある。図１４は、他の２ステップ電圧転流法における片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉの状態を示す図である。図１４に示す２ステップ電圧転流法は、Ｅｐ−ＥｍとＥｍ−Ｅｎとの大小関係および出力電流Ｉｏの極性によってスイッチ制御パターンが異なる。なお、ステップ間隔Ｔｄは、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのターンオン時間およびターンオフ時間よりも長い時間に設定される。また、ステップ間隔Ｔｏｆｆは、片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのターンオフ時間よりも長い時間に設定される。
【００６６】
（４ステップ電流転流法）
４ステップ電流転流法では、出力電流Ｉｏの極性に応じて、次のステップ１〜ステップ４からなるスイッチングパターンで転流動作が行われる。
ステップ１：  切り替え元の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと逆極性の片方向スイッチをオフにする。
ステップ２：  切り替え先の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと同極性の片方向スイッチをオンにする。
ステップ３：  切り替え元の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと同極性の片方向スイッチをオフにする。
ステップ４：  切り替え先の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと逆極性の片方向スイッチをオンにする。
【００６７】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１０に対応する図であり、４ステップ電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。図１５Ａは、出力相電流Ｉｕが正である場合の転流動作を示し、図１５Ｂは、出力相電流Ｉｕが負である場合の転流動作を示す。
【００６８】
このように、４ステップ電流転流法による転流制御を行うことで、交流電源２の相間短絡やマトリクスコンバータ１の出力相の開放などを防止しつつ、出力相電圧Ｖｕとして出力する電圧を、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎへ変更することができる。
【００６９】
（３ステップ電流転流法）
３ステップ電流転流法は、出力電流Ｉｏの極性に応じた３ステップの転流法であり、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように転流動作が行われる。図１６Ａおよび図１６Ｂは、図１０に対応する図であり、３ステップ電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。図１６Ａは、出力相電流Ｉｕが正である場合の転流動作を示し、図１６Ｂは、出力相電流Ｉｕが負である場合の転流動作を示す。
【００７０】
かかる３ステップ電流転流法では、例えば、出力電流Ｉｏの極性が正であり、出力相電圧Ｖｕとして出力する電圧を双方向スイッチＳによって入力相側の高電圧から低電圧に切り替える場合、次のステップ１〜ステップ３からなるスイッチングパターンで転流動作が行われる。
ステップ１：  切り替え元の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと逆極性の片方向スイッチをオフにし、切り替え先の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと同極性の片方向スイッチをオンにする。
ステップ２：  切り替え元の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと同極性の片方向スイッチをオフにする。
ステップ３：  切り替え先の双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチのうち、出力電流Ｉｏと逆極性の片方向スイッチをオンにする。
【００７１】
また、３ステップ電流転流法は、上述の転流制御以外に、例えば、図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、４ステップ電流転流法において、ステップ２とステップ３とを一つのステップとして同時に行う転流法でもよい。
【００７２】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、図１０に対応する図であり、他の３ステップ電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。図１７Ａは、出力相電流Ｉｕが正である場合の転流動作を示し、図１７Ｂは、出力相電流Ｉｕが負である場合の転流動作を示す。
【００７３】
（３ステップ電圧電流転流法）
３ステップ電圧電流転流法は、ステップ１およびステップ２の一方を３ステップ電圧転流法の対応するステップとし、他方を３ステップ電流転流法の対応するステップとする転流法である。
【００７４】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、図１０に対応する図であり、３ステップ電圧電流転流法における出力相電圧Ｖｕおよびゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕの関係を示す図である。図１８Ａは、出力相電流Ｉｕが正である場合の転流動作を示し、図１８Ｂは、出力相電流Ｉｕが負である場合の転流動作を示す。
【００７５】
［２．３．３．選択部４３］
次に、選択部４３について説明する。選択部４３は、電力変換部１０の出力電流Ｉｏの状態に基づき、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の中から転流制御を行う転流制御部を選択する。上述のように、第１の転流制御部４１は、片方向スイッチング転流法による転流制御を行い、第２の転流制御部４２は、双方向スイッチング転流法による転流制御を行う。
【００７６】
片方向スイッチング転流法では、上述のように、双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉのうち、出力電流Ｉｏの極性に応じた片方向スイッチがオン／オフ制御されるため、転流動作に要する時間が短く、電圧精度を高めることができる。
【００７７】
しかし、片方向スイッチング転流法では、転流動作の前後で双方向スイッチＳを構成する片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉの一方のみがオンであるため、出力電流Ｉｏの極性を間違えた場合、転流動作をしていない期間も出力電流Ｉｏが流れない状態が継続する。
【００７８】
そのため、図１９Ａに示す領域ＲＡのように、出力電流Ｉｏの大きさが小さい領域では、出力電流検出部１３の検出感度や検出ノイズなどの影響を受けやすくなり、例えば、図１９Ｂに示すように、出力電流Ｉｏが出力されない状態が発生する場合がある。図１９Ａは、出力電流Ｉｏの目標波形を示す図であり、図１９Ｂは、片方向スイッチング転流法での転流失敗によって生じる出力電流Ｉｏの出力状態を示す図である。
【００７９】
一方、双方向スイッチング転流法では、転流動作の前後で出力相に出力する入力相電圧に対応する双方向スイッチＳの片方向スイッチＳｉｏ、Ｓｏｉが共にオンに制御される。そのため、双方向スイッチング転流法では、出力電流Ｉｏの極性を間違えた場合でも、転流動作期間のみ転流失敗となる場合があるが、それ以外の期間では出力相の開放や入力相間の短絡は発生しない。なお、４ステップ電圧転流法では、出力電流Ｉｏの極性を間違えた場合でも、転流失敗しない。
【００８０】
したがって、かかる片方向スイッチング転流法では、出力電流Ｉｏが出力されない状態が抑制される。しかし、双方向スイッチング転流法では、片方向スイッチング転流法に比べ、ステップ数が多くなり、片方向スイッチング転流法に比べ、転流動作に要する時間が長くなって電圧精度が低下する。そのため、双方向スイッチング転流法では、例えば、電圧補償処理などを施すことで処理が複雑になるなどといった課題がある。
【００８１】
そこで、選択部４３は、電力変換部１０の出力電流Ｉｏの状態に基づき、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の中から転流制御を行う転流制御部を選択する。これにより、片方向スイッチング転流法および双方向スイッチング転流法から適切な転流法を選択して転流制御を行うことができ、出力電圧Ｖｏの精度を向上させつつ、転流失敗を低減することができる。
【００８２】
選択部４３は、転流制御部の選択モードとして第１の選択モードと第２の選択モードを有する。選択部４３は、内部パラメータの設定により、いずれの選択モードにより転流制御部の選択を行うことができるように構成される。
【００８３】
図２０は、第１の選択モードにおいて選択される転流制御部と出力電流Ｉｏとの関係を示す図である。図２０に示すように、選択部４３は、第１の選択モードにより転流制御部の選択を行う場合、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ以上である期間Ｔａでは第１の転流制御部４１を選択する。また、選択部４３は、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ未満である期間Ｔｂでは第２の転流制御部４２を選択する。なお、図２０に示す例では、出力電流Ｉｏが正である場合と負である場合とで同一の電流閾値Ｉｒｅｆを用いているが、出力電流Ｉｏが正である場合と負である場合とで異なる電流閾値を用いてもよい。
【００８４】
第２の選択モードでは、図２１に示すように、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ未満であっても、入力相間電圧Ｅｓａの大きさが電圧閾値Ｅｒｅｆ未満である場合、第１の転流制御部４１が選択される点で、第２の選択モードは第１の選択モードとは異なる。図２１は、第１の選択モードと第２の選択モードの相違点を示す図である。第１の選択モードでは、入力相の相間短絡よりも出力相の開放の防止を優先することができ、第２の選択モードでは、出力相の開放よりも入力相の相間短絡の防止を優先することができる。
【００８５】
なお、第２の選択モードにおいて第２の転流制御部４２で用いる双方向スイッチング転流法は、入力相の相間短絡が防止できる転流法である。具体的には、図１５Ａ等に示す４ステップ電流転流法、および、図１４に示す２ステップ電圧転流法などが第２の選択モードにおいて第２の転流制御部４２により用いられる。
【００８６】
選択部４３は、第２の選択モードにより転流制御部の選択を行う場合、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ以上であるか、または、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ未満かつ入力相間電圧Ｅｓａが電圧閾値Ｅｒｅｆ未満である場合に第１の転流制御部４１を選択する。また、選択部４３は、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ未満であり、かつ、入力相間電圧Ｅｓａが電圧閾値Ｅｒｅｆ以上である場合に第２の転流制御部４２を選択する。なお、出力電流Ｉｏが正である場合と負である場合とで異なる電流閾値Ｉｒｅｆおよび電圧閾値Ｅｒｅｆを用いてもよい。
【００８７】
図２２は、選択部４３の構成を示す図である。図２２に示すように、選択部４３は、Ｕ相選択器５０Ａと、Ｖ相選択器５０Ｂと、Ｗ相選択器５０Ｃとを備える。Ｕ相選択器５０Ａは、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の一方を、出力相電流Ｉｕの大きさに基づいて選択し、選択した転流制御部から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを出力する。
【００８８】
Ｖ相選択器５０Ｂは、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の一方を、出力相電流Ｉｖの大きさに基づいて選択し、選択した転流制御部から出力されるゲート信号Ｓ１ｖ〜Ｓ６ｖを出力する。また、Ｗ相選択器５０Ｃは、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の一方を、出力相電流Ｉｗの大きさに基づいて選択し、選択した転流制御部から出力されるゲート信号Ｓ１ｗ〜Ｓ６ｗを出力する。
【００８９】
以下、Ｕ相選択器５０Ａの構成について具体的に説明する。なお、Ｖ相選択器５０ＢおよびＷ相選択器５０Ｃは、Ｕ相選択器５０Ａと同様の構成であることからＶ相選択器５０ＢおよびＷ相選択器５０Ｃの構成についての説明は省略するものとする。
【００９０】
図２２に示すように、Ｕ相選択器５０Ａは、絶対値演算器５１、５５と、電流閾値出力器５２と、減算器５３、５７と、切替器５４、５９と、電圧閾値出力器５６と、選択モード出力器５８とを備える。
【００９１】
絶対値演算器５１は、出力相電流Ｉｕの絶対値Ｉｕａを演算することで、出力相電流Ｉｕの大きさを求め、絶対値Ｉｕａを減算器５３へ出力する。電流閾値出力器５２は、予め設定された電流閾値Ｉｒｅｆを減算器５３へ出力する。減算器５３は、絶対値Ｉｕａから電流閾値Ｉｒｅｆを減算し、減算結果Ｉｄｉｆを切替器５４へ出力する。
【００９２】
切替器５４は、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２のそれぞれのゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを入力し、減算器５３の減算結果Ｉｄｉｆに基づいて、一方の転流制御部からのゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを出力する。具体的には、切替器５４は、減算結果Ｉｄｉｆがゼロまたは正の場合、第１の転流制御部４１から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。また、切替器５４は、減算結果Ｉｄｉｆが負の場合、第２の転流制御部４２から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。
【００９３】
絶対値演算器５５は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔを入力し、これら入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔから入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒの絶対値を求める。入力相間電圧Ｅｒｓは、Ｒ相とＳ相との間の電圧であり、入力相間電圧Ｅｓｔは、Ｓ相とＴ相との間の電圧であり、入力相間電圧Ｅｔｒは、Ｔ相とＲ相との間の電圧である。
【００９４】
電圧閾値出力器５６は、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒの絶対値Ｅｒｓａ、Ｅｓｔａ、Ｅｔｒａをそれぞれ演算することで、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒの大きさを求め、絶対値Ｅｒｓａ、Ｅｓｔａ、Ｅｔｒａを減算器５３へ出力する。電圧閾値出力器５６は、予め設定された電圧閾値Ｅｒｅｆを減算器５７へ出力する。
【００９５】
減算器５７は、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒからそれぞれ電圧閾値Ｅｒｅｆを減算し、減算結果Ｅｒｓｄｉｆ、Ｅｓｔｄｉｆ、Ｅｔｒｄｉｆを切替器５９へ出力する。また、選択モード出力器５８は、パラメータで設定されている選択モードが第１の選択モードおよび第２の選択モードのいずれであるかを示すモード情報を切替器５９へ出力する。
【００９６】
切替器５９は、切替器５４の出力と第１の転流制御部４１の出力とを入力し、減算器５７の減算結果と選択モード出力器５８のモード情報とに基づいて、切替器５４の出力および第１の転流制御部４１の出力のいずれかを選択して出力する。
【００９７】
具体的には、切替器５９は、選択モード出力器５８から第１の選択モードを示すモード情報が出力されている場合、切替器５４の出力を選択して出力する。これにより、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ以上であれば第１の転流制御部４１からのゲート信号Ｓｇが出力され、出力電流Ｉｏの大きさが電流閾値Ｉｒｅｆ未満であれば第２の転流制御部４２からのゲート信号Ｓｇが出力される。
【００９８】
一方、切替器５９は、選択モード出力器５８から第２の選択モードを示すモード情報が出力されている場合、減算器５７の減算結果に基づいて、切替器５４の出力と第１の転流制御部４１の出力のいずれかを選択して出力する。
【００９９】
例えば、Ｅｐ＝Ｅｒ、Ｅｍ＝Ｅｓ、Ｅｎ＝Ｅｔであり、かつ、入力相電圧Ｅｎから入力相電圧Ｅｍへの転流の場合、切替器５９は、減算結果Ｅｓｔｄｉｆがゼロまたは正であれば切替器５４から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。一方、切替器５９は、減算結果Ｅｓｔｄｉｆが負であれば第１の転流制御部４１から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。
【０１００】
また、Ｅｐ＝Ｅｒ、Ｅｍ＝Ｅｓ、Ｅｎ＝Ｅｔであり、かつ、入力相電圧Ｅｍから入力相電圧Ｅｐへの転流の場合、切替器５９は、減算結果Ｅｒｓｄｉｆがゼロまたは正であれば切替器５４から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。一方、切替器５９は、減算結果Ｅｒｓｄｉｆが負であれば第１の転流制御部４１から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。
【０１０１】
このように、選択部４３は、出力電流Ｉｏの大きさや入力相間電圧Ｅｓａの大きさに基づき、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の中から転流制御を実行する転流制御部を選択する。これにより、出力電圧Ｖｏの精度を向上させつつ、転流失敗を低減することができるマトリクスコンバータ１を提供することができる。
【０１０２】
また、上記実施形態では、出力電流Ｉｏの大きさに基づいて、転流制御部の選択を行うものとして説明したが、出力電流Ｉｏの位相に基づいて転流制御部の選択を行うこともできる。図２３は、選択部４３におけるＵ相選択器５０Ａの他の構成を示す図である。なお、Ｖ相選択器５０ＢおよびＷ相選択器５０Ｃは、Ｕ相選択器５０Ａと同様の構成である。
【０１０３】
図２３に示すように、Ｕ相選択器５０Ａは、図２２に示す絶対値演算器５１、５５、電流閾値出力器５２、電圧閾値出力器５６および減算器５３、５７に代えて、位相演算器５１Ａ、５５Ａと、位相閾値出力器５２Ａ、５６Ａと、比較器５３Ａ、５７Ａとを備える。他の構成は、図２２に示す構成と同様である。
【０１０４】
位相演算器５１Ａは、出力相電流Ｉｕを入力し、出力相電流Ｉｕの位相θｕを求める。なお、位相演算器５１Ａは、出力相電流Ｉｖ、Ｉｗのいずれかから出力相電流Ｉｕの位相θｕを求めることもできる。
【０１０５】
位相閾値出力器５２Ａは、位相閾値θｏｒｅｆを出力する。かかる位相閾値θｏｒｅｆは、例えば、図２０に示す“０°〜θ１”、“θ２〜θ３”、“θ４〜３６０°”の範囲である。比較器５３Ａは、位相演算器５１Ａから出力される出力相電流Ｉｕの位相θｕと位相閾値出力器５２Ａから出力される位相閾値θｏｒｅｆとを比較する。そして、比較器５３Ａは、位相θｕが位相閾値θｏｒｅｆに含まれる場合には、負の信号を出力し、位相θｕが位相閾値θｏｒｅｆに含まれない場合には、正の信号を出力する。
【０１０６】
位相演算器５５Ａは、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔを入力し、入力電圧Ｖｉの位相θｉを求める。なお、位相演算器５５Ａは、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのいずれかから入力電圧Ｖｉの位相θｉを求めることもできる。
【０１０７】
位相閾値出力器５６Ａは、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒ毎の位相閾値θｒｓｒｅｆ、θｓｔｒｅｆ、θｔｒｒｅｆを出力する。位相閾値θｒｓｒｅｆは、例えば入力相間電圧Ｅｒｓの絶対値が電圧閾値Ｅｒｅｆ以下となる位相θｉの範囲に設定される。また、位相閾値θｓｔｒｅｆは、例えば入力相間電圧Ｅｓｔの絶対値が電圧閾値Ｅｒｅｆ以下となる位相θｉの範囲に設定され、位相閾値θｔｒｒｅｆは、例えば入力相間電圧Ｅｔｒの絶対値が電圧閾値Ｅｒｅｆ以下となる位相θｉの範囲に設定される。
【０１０８】
比較器５７Ａは、位相演算器５５Ａから出力される入力電圧Ｖｉの位相θｉと位相閾値出力器５６Ａから出力される各位相閾値θｒｓｒｅｆ、θｓｔｒｅｆ、θｔｒｒｅｆとを比較する。そして、比較器５７Ａは、例えば、位相θｉが位相閾値θｒｓｒｅｆに含まれる場合には、入力相間電圧Ｅｒｓに関する負の信号を出力し、位相θｉが位相閾値θｒｓｒｅｆに含まれない場合には、入力相間電圧Ｅｒｓに関する正の信号を出力する。
【０１０９】
また、比較器５７Ａは、位相θｉが位相閾値θｓｔｒｅｆに含まれる場合には、入力相間電圧Ｅｓｔに関する負の信号を出力し、位相θｉが位相閾値θｓｔｒｅｆに含まれない場合には、入力相間電圧Ｅｓｔに関する正の信号を出力する。また、比較器５７Ａは、位相θｉが位相閾値θｔｒｒｅｆに含まれる場合には、入力相間電圧Ｅｔｒに関する負の信号を出力し、位相θｉが位相閾値θｔｒｒｅｆに含まれない場合には、入力相間電圧Ｅｔｒに関する正の信号を出力する。
【０１１０】
切替器５９は、例えば、Ｕ相において、入力相電圧Ｅｒから入力相電圧Ｅｓへの転流の場合、入力相間電圧Ｅｒｓに関する正の信号が比較器５７Ａから出力されていれば切替器５４から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。一方、切替器５９は、入力相間電圧Ｅｒｓに関する負の信号が比較器５７Ａから出力されていれば第１の転流制御部４１から出力されるゲート信号Ｓ１ｕ〜Ｓ６ｕを選択して出力する。
【０１１１】
また、切替器５９は、同様に、入力相電圧Ｅｓと入力相電圧Ｅｔとの間の転流の場合、入力相間電圧Ｅｓｔに関する信号に基づいて選択を行い、入力相電圧Ｅｔと入力相電圧Ｅｒとの間の転流の場合、入力相間電圧Ｅｔｒに関する信号に基づいて選択を行う。
【０１１２】
このように、選択部４３は出力電流Ｉｏの位相や入力電圧Ｖｉの位相に基づき、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の中から転流制御を実行する転流制御部を選択することもできる。
【０１１３】
なお、選択部４３は、上述した構成に限られない。例えば、各相選択器５０Ａ〜５０Ｃにおいて、出力電流Ｉｏの状態に関しては、出力電流Ｉｏの位相を求め、入力相間電圧Ｅｓａの状態に関しては入力相間電圧Ｅｓａを求めるようにしてもよい。この場合、各相選択器５０Ａ〜５０Ｃは、位相演算器５１Ａ、位相閾値出力器５２Ａおよび比較器５３Ａにより出力電流Ｉｏの位相θｏを求め、絶対値演算器５５、電圧閾値出力器５６および減算器５７によって入力相間電圧Ｅｓａの大きさを求める。
【０１１４】
また、各相選択器５０Ａ〜５０Ｃにおいて、出力電流Ｉｏの状態に関しては、出力電流Ｉｏの大きさを求め、入力相間電圧Ｅｓａの状態に関しては入力電圧Ｖｉの位相θｉを求めるようにしてもよい。この場合、各相選択器５０Ａ〜５０Ｃは、絶対値演算器５１、電流閾値出力器５２および減算器５３により出力電流Ｉｏの大きさを求め、位相演算器５５Ａ、位相閾値出力器５６Ａおよび比較器５７Ａによって入力電圧Ｖｉの位相θｉを求める。
【０１１５】
また、上述の選択部４３では、入力相間電圧Ｅｓａの状態や出力電流Ｉｏの状態を検出値に基づいて判定するようにしたが、図２４に示すように、入力相間電圧Ｅｓａの状態を推定する入力電圧推定器や出力電流Ｉｏの状態を推定する出力電流推定器を用いることもできる。図２４は、選択部４３におけるＵ相選択器５０Ａの他の構成を示す図である。なお、Ｖ相選択器５０ＢおよびＷ相選択器５０Ｃは、Ｕ相選択器５０Ａと同様の構成である。
【０１１６】
図２４に示すように、Ｕ相選択器５０Ａは、図２２に示す絶対値演算器５１、５５に代えて、出力電流絶対値推定器５１Ｂおよび入力電圧絶対値推定器５５Ｂを備える。他の構成は、図２２に示す構成と同様である。
【０１１７】
出力電流絶対値推定器５１Ｂは、電圧指令Ｖｏ*から出力相電流Ｉｕの絶対値Ｉｕａを求める。出力電流絶対値推定器５１Ｂは、例えば、電圧指令Ｖｕ*と出力相電流Ｉｕの絶対値Ｉｕａとの関係を示すテーブルまたは演算式を有しており、かかるテーブルまたは演算式に基づいて、出力相電流Ｉｕの絶対値Ｉｕａを求める。
【０１１８】
入力電圧絶対値推定器５５Ｂは、例えば、入力電流検出部（不図示）から出力される入力電流Ｉｉに基づいて、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒの絶対値Ｅｒｓａ、Ｅｓｔａ、Ｅｔｒａを推定する。入力電圧絶対値推定器５５Ｂは、例えば、入力相電流Ｉｒと入力相電圧Ｅｒの絶対値との関係を示すテーブルまたは演算式を有しており、かかるテーブルまたは演算式に基づいて、入力相間電圧Ｅｒｓ、Ｅｓｔ、Ｅｔｒの絶対値Ｅｒｓａ、Ｅｓｔａ、Ｅｔｒａを出力する。
【０１１９】
以上のように、実施形態に係るマトリクスコンバータ１は、入力相間電圧Ｅｓａの状態や出力電流Ｉｏの状態を検出値や推定値に基づいて判定し、第１の転流制御部４１および第２の転流制御部４２の中から転流制御を実行する転流制御部を選択する。これにより、出力電圧Ｖｏの精度を向上させつつ、転流失敗を低減することができるマトリクスコンバータ１を提供することができる。
【０１２０】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  マトリクスコンバータ
２  交流電源
３  負荷
１０  電力変換部
１１  ＬＣフィルタ
１２  入力電圧検出部
１３  出力電流検出部
１４  制御部
３０  電圧指令演算部
３１  ＰＷＭデューティ比演算部
３２  転流部
４１  第１の転流制御部
４２  第２の転流制御部
４３  選択部
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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