(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、
前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、
前記制御部は、
前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、
前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、
前記電力変換回路は、交流入力を直流出力に変換する交流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサを備え、
前記コンデンサは、前記直流出力を平滑化するように直流母線間に接続され、
前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、
前記第２のセンサは、前記交流入力の電圧値を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換回路は、
前記直流母線間に直列に接続された２つの前記半導体スイッチング素子の接続点が交流母線に接続されるハーフブリッジ型のコンバータ回路と、
前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されるリアクトルとを備え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】
前記電力変換回路は、
前記直流母線間に直列に接続された２つの前記半導体スイッチング素子の接続点が交流母線に接続されるハーフブリッジ型のコンバータ回路と、
複数の前記半導体スイッチング素子と直流電圧源とによって構成される単相インバータを含み、交流側は前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されて前記単相インバータの出力を前記交流入力に重畳するインバータ回路と、
前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されるリアクトルとを備え、
前記制御部は、
前記コンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して、前記インバータ回路の前記直流電圧源が、予め定める目標電圧に追従するように、前記コンバータ回路を制御す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４】
前記電力変換回路は、
第１の半導体スイッチング素子、第２の半導体スイッチング素子、および直流電圧源によって構成され、前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子との接続点が交流母線に接続されるハーフブリッジ型のインバータ回路と、
前記インバータ回路の正側の直流端子と前記直流母線の正側との間に接続される第３の半導体スイッチング素子、および前記インバータ回路の負側の直流端子と前記直流母線の負側との間に接続される第４の半導体スイッチング素子を含むコンバータ回路と、
前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されるリアクトルとを備え、
前記制御部は、
前記コンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して、前記インバータ回路の前記直流電圧源が、予め定める目標電圧に追従するように、前記コンバータ回路を制御す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５】
半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、
前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、
前記制御部は、
前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、
前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、
前記電力変換回路は、交流入力を直流出力に変換する交流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサとインバータ回路とコンバータ回路と他のコンデンサとを備え、
前記コンデンサは、前記インバータ回路の直流端子間に接続され、
前記他のコンデンサは、前記コンバータ回路から出力される前記直流出力を平滑化するように直流母線間に接続され、
前記コンバータ回路の交流端子は、前記インバータ回路の交流出力線に接続され、
前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、
前記第２のセンサは、前記交流入力の電流値を検出し、
前記制御部は、
前記コンバータ回路の前記他のコンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して、前記インバータ回路の前記コンデンサが前記制御目標値に追従するように、前記コンバータ回路を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、
前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、
前記制御部は、
前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、
前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、
前記電力変換回路は、交流入力を直流出力に変換する交流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサとインバータ回路とコンバータ回路と他のコンデンサとを備え、
前記コンデンサは、前記インバータ回路の直流端子間に接続され、
前記他のコンデンサは、前記コンバータ回路から出力される前記直流出力を平滑化するように直流母線間に接続され、
前記コンバータ回路の交流端子は、前記インバータ回路の交流出力線に接続され、
前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、
前記第２のセンサは、前記直流出力の電圧値を検出し、
前記制御部は、
前記コンバータ回路の前記他のコンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して、前記インバータ回路の前記コンデンサが前記制御目標値に追従するように、前記コンバータ回路を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記電力変換回路は、
前記直流母線間に直列に接続された２つの前記半導体スイッチング素子の接続点が交流母線に接続されるハーフブリッジ型のコンバータ回路と、
複数の前記半導体スイッチング素子と前記コンデンサとによって構成される単相インバータを含み、交流側は前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されて前記単相インバータの出力を前記交流入力に重畳するインバータ回路と、
前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されるリアクトルとを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換回路は、
第１の半導体スイッチング素子、第２の半導体スイッチング素子、および前記コンデンサによって構成され、前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子との接続点が交流母線に接続されるハーフブリッジ型のインバータ回路と、
前記インバータ回路の正側の直流端子と前記直流母線の正側との間に接続される第３の半導体スイッチング素子、および前記インバータ回路の負側の直流端子と前記直流母線の負側との間に接続される第４の半導体スイッチング素子を含むコンバータ回路と、
前記交流母線と前記交流入力との間に直列に接続されるリアクトルとを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の電力変換装置。
【請求項９】
半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、
前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、
前記制御部は、
前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、
前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、
前記電力変換回路は、入力される第１の直流を第２の直流に変換する直流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサを備え、
前記コンデンサは、前記第１の直流の電圧を平滑化するように接続され、
前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、
前記第２のセンサは、前記第２の直流の電圧値を検出し、
前記制御部は、前記第１の直流の電圧値を前記制御目標値に追従させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記所定値と前記第２の電圧値または電流値の逆数とを、予め定める切替条件で切替えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記切替条件は、前記第２のセンサで検出された値に基づいて決定されることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記切替条件は、前記所定値と前記第２の電圧値または電流値の逆数との交点に基づいて決定されることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記所定値は、前記第２の電圧値または電流値の逆数の線形近似の値であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記線形近似は、前記第２の電圧値または電流値の逆数の接線によって近似されることを特徴とする請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記所定値は、定数であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記所定値は、前記第２の電圧値または電流値の逆数よりも小さい値であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１つ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、スイッチング制御によって電力変換を行う電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置では、所定の出力電圧への追従制御において、動作電圧条件が変化したとしても出力電圧の追従性が均一となるように制御する技術、たとえば、出力電圧に基づいてフィードバック制御部が使用する制御ゲインを決定する技術が検討されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２０６４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電力変換装置のように、動作電圧条件が変化したとしても出力電圧の追従性が均一となるように制御する場合、出力電圧に偏差を生じたときの追従制御について考えると、偏差を埋めるために所定の電力を出力する必要がある。しかし、入力電圧が低くなると、入力電圧が高いときに比べて、入力電流を増加させる必要がある。つまり、入力電圧が低いときの出力電圧の追従制御では、入力電圧が高いときに比べて、入力電流が大きく変動する結果となってしまう。
【０００５】
追従制御において、制御のために操作される量（以下「操作量」という場合がある）が大きく変動すると、電圧および電流のリプルを生じることになる。たとえば、コンデンサからの電流を操作量とする制御では、電流の大きな変動によって、コンデンサの発熱が引き起こされ、素子の寿命に影響する。また交流（ＡＣ）系統の電流を操作量とする制御では、照明のちらつきなどの家電への影響が懸念される。さらに、急激な変動を繰り返す場合、ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility）への悪影響が考えられる。
【０００６】
本発明の目的は、追従制御における操作量の変動を抑えて、安定した操作量と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】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、前記電力変換回路は、交流入力を直流出力に変換する交流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサを備え、前記コンデンサは、前記直流出力を平滑化するように直流母線間に接続され、前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、前記第２のセンサは、前記交流入力の電圧値を検出することを特徴とする。
また本発明の電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、前記電力変換回路は、交流入力を直流出力に変換する交流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサとインバータ回路とコンバータ回路と他のコンデンサとを備え、前記コンデンサは、前記インバータ回路の直流端子間に接続され、前記他のコンデンサは、前記コンバータ回路から出力される前記直流出力を平滑化するように直流母線間に接続され、前記コンバータ回路の交流端子は、前記インバータ回路の交流出力線に接続され、前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、前記第２のセンサは、前記交流入力の電流値を検出し、前記制御部は、前記コンバータ回路の前記他のコンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して、前記インバータ回路の前記コンデンサが前記制御目標値に追従するように、前記コンバータ回路を制御することを特徴とする。
また本発明の電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、前記電力変換回路は、交流入力を直流出力に変換する交流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサとインバータ回路とコンバータ回路と他のコンデンサとを備え、前記コンデンサは、前記インバータ回路の直流端子間に接続され、前記他のコンデンサは、前記コンバータ回路から出力される前記直流出力を平滑化するように直流母線間に接続され、前記コンバータ回路の交流端子は、前記インバータ回路の交流出力線に接続され、前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、前記第２のセンサは、前記直流出力の電圧値を検出し、前記制御部は、前記コンバータ回路の前記他のコンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して、前記インバータ回路の前記コンデンサが前記制御目標値に追従するように、前記コンバータ回路を制御することを特徴とする。
また本発明の電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換を行う電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子を制御することによって、前記電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値を、予め定める制御目標値に追従させる制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の電圧値または電流値と前記制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量を算出し、算出した前記第１の操作量に、前記電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数を乗算することによって第２の操作量を算出し、算出した前記第２の操作量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御するように構成され、かつ、前記第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて前記第２の操作量を算出することが可能に構成され、前記電力変換回路は、入力される第１の直流を第２の直流に変換する直流−直流変換回路であり、電圧を平滑化するコンデンサを備え、前記コンデンサは、前記第１の直流の電圧を平滑化するように接続され、前記第１のセンサは、前記コンデンサの電圧値を検出し、前記第２のセンサは、前記第２の直流の電圧値を検出し、前記制御部は、前記第１の直流の電圧値を前記制御目標値に追従させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電力変換装置によれば、電力変換回路と制御部とを備えて電力変換装置が構成される。電力変換回路において、半導体スイッチング素子のスイッチング制御によって電力変換が行われる。制御部が半導体スイッチング素子を制御することによって、電力変換回路の第１のセンサで検出される第１の電圧値または電流値が制御目標値に追従される。
【０００９】
制御部によって、第１の電圧値または電流値と制御目標値との差分を０に近づけるようにフィードバック制御するための第１の操作量が算出される。算出された第１の操作量に、電力変換回路の第２のセンサで検出される第２の電圧値または電流値の逆数に比例する変数が乗算されて、第２の操作量が算出される。算出された第２の操作量に基づいて、半導体スイッチング素子が制御される。
【００１０】
制御部は、第２の電圧値または電流値の逆数に代えて所定値を用いて第２の操作量を算出することが可能に構成される。これによって、電力変換回路が動作するときの電圧および電流などの動作条件が変化した場合においても、追従制御における操作量である第２の操作量の変動を抑えて、安定した操作量とすることができる。したがって、電力変換回路が動作するときの電圧および電流などの動作条件の変動による半導体スイッチング素子の発熱を防止し、急激な操作量の変動による電磁両立性への悪影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における電力変換装置１０００の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における電力変換装置１０００の制御回路１０Ａの構成を示すブロック図である。
【図３】入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ＶｉｎＲＭＳと、１／ＶｉｎＲＭＳの直線近似とを示すグラフである。
【図４】図３に示す入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ＶｉｎＲＭＳ  １４０とその直線近似１４１とから決定された関数Ｆ（ｘ）１２５Ａを示すグラフである。
【図５】入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳ  １４０と固定値とから決定された関数Ｆ（ｘ）１２５Ｂを示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の力行動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の力行動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の昇圧時の各部の波形とインバータ回路２００の直流電圧源２０５の充放電状態とを示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の降圧時の各部の波形とインバータ回路２００の直流電圧源２０５の充放電状態とを示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の力行動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の力行動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の回生動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の回生動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の回生動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の回生動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の制御回路１０Ｂの構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の制御回路１０Ｂの構成を示すブロック図である。
【図１９】ピーク電流Ｉｐの逆数である１／Ｉｐと、１／Ｉｐの直線近似とを示すグラフである。
【図２０】図１９に示すピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐ  １４５とその直線近似１４６とから決定された関数Ｆ（ｘ）１５３を示すグラフである。
【図２１】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の構成を示す図である。
【図２２】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の動作を説明するための主回路１１０Ｂの電流経路を示す図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の動作を説明するための主回路１１０Ｂの電流経路を示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の動作を説明するための主回路１１０Ｂの電流経路を示す図である。
【図２５】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の動作を説明するための主回路１１０Ｂの電流経路を示す図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の各部の波形とインバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の充放電状態とを示す図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の制御回路１０Ｃの構成を示すブロック図である。
【図２８】本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の制御回路１０Ｃの構成を示すブロック図である。
【図２９】本発明の第５の実施の形態における電力変換装置４０００の構成を示す図である。
【図３０】本発明の第５の実施の形態における電力変換装置４０００の各部の波形を示す図である。
【図３１】本発明の第５の実施の形態における電力変換装置４０００の制御回路１０Ｄの構成を示すブロック図である。
【図３２】前提技術における電力変換装置９００の構成を示す図である。
【図３３】前提技術における電力変換装置９００の制御の一例を示すブロック図である。
【図３４】入力電圧Ｖｉｎの反比例特性の概念を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜前提技術＞
図３２は、前提技術における電力変換装置９００の構成を示す図である。図３３は、前提技術における電力変換装置９００の制御の一例を示すブロック図である。図３２および図３３では、電力変換装置９００の一例として、ＤＣ−ＤＣコンバータを示して、電力変換装置の制御について説明する。以下の説明では、電圧変換装置９００を「ＤＣ−ＤＣコンバータ９００」という場合がある。
【００１３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９００は、金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor；略称：ＭＯＳＦＥＴ）などの半導体スイッチング素子９０１，９０２、入力リアクトル９２０および平滑コンデンサ９３０を備えて構成される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９００には、直流電源９１０が接続されている。以下の説明では、電力変換装置に入力される電圧を「入力電圧Ｖｉｎ」という場合がある。図３２では、電力変換装置であるＤＣ−ＤＣコンバータ９００に入力される直流電源９１０の電圧（以下「直流電源電圧」という場合がある）が、入力電圧Ｖｉｎとなる。
【００１４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９００において、平滑コンデンサ９３０の直流電圧Ｖｄｃを制御するときのフィードバック制御を示すブロック図は、図３３のように表される。
【００１５】
図３３に示すように、直流電圧Ｖｄｃの制御において、減算器９０は、平滑コンデンサ９３０の目標電圧Ｖｄｃ＊と平滑コンデンサ９３０の直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた値を差分電圧９１の値として出力する。減算器９０から出力された差分電圧９１の値は、フィードバック量として、比例積分（ＰＩ）制御器９２に与えられる。
【００１６】
ＰＩ制御器９２は、減算器９０から与えられた差分電圧９１の値について比例積分（ＰＩ）制御を行う。ＰＩ制御器９２は、ＰＩ制御を行うことによって得られた値を、平滑コンデンサ９３０の目標電流Ｉｄｃ＊の値として出力する。出力された平滑コンデンサ９３０の目標電流Ｉｄｃ＊の値は、第１の操作量となる。
【００１７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９００は、入力側に入力リアクトル９２０が接続されて構成されており、半導体スイッチング素子９０２のスイッチング制御によって制御されるのは、入力電流Ｉｉｎである。そこで、平滑コンデンサ９３０の目標電流Ｉｄｃ＊の値を、実際の制御での操作量となる入力電流目標値Ｉｉｎ＊に変換する。
【００１８】
所定の電力における入出力の電流比から求められる変換乗数９３（Ｘ＝Ｖｄｃ／Ｖｉｎ）を、ＰＩ制御器９２から出力される目標電流Ｉｄｃ＊の値に乗算し、乗算した値を、入力電流目標値Ｉｉｎ＊として得る。入力電流目標値Ｉｉｎ＊は、第２の操作量となる。入力電流目標値Ｉｉｎ＊は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御器９４に与えられる。
【００１９】
ＰＷＭ制御部９４は、入力電流目標値Ｉｉｎ＊を用いて、半導体スイッチング素子９０１，９０２のゲート信号９５を生成し、ＰＷＭ制御によって、平滑コンデンサ９３０の直流電圧Ｖｄｃの制御を行う。ＰＷＭ制御部９４では、マイナーループとして、入力電流目標値Ｉｉｎ＊へのフィードバック制御を実行してもよく、その場合は、より精密な電流制御が可能であるが、ここでは説明を省略する。
【００２０】
変換乗数９３を表す式であるＸ＝Ｖｄｃ／Ｖｉｎからも判るように、平滑コンデンサ９３０の目標電圧Ｖｄｃ＊と平滑コンデンサ９３０の直流電圧Ｖｄｃとの差分値である差分電圧９１の値に対して得られる入力電流目標値Ｉｉｎ＊は、入力電圧Ｖｉｎである直流電源電圧に反比例する特性となる。
【００２１】
図３４は、入力電圧Ｖｉｎの反比例特性の概念を示すグラフである。図３４の横軸は入力電圧Ｖｉｎの値を示し、縦軸は入力電圧Ｖｉｎの逆数１／Ｖｉｎの値を示す。図３４に示すように、入力電圧Ｖｉｎが低下するにつれて、その逆数１／Ｖｉｎは急増する。したがって、差分電圧９１の値に対して得られる入力電流目標値Ｉｉｎ＊も急増してしまう。
【００２２】
追従制御における出力電圧の追従性を確保するためには、前述のように演算によって制御することが理論的には正しい。しかし、結果として、入力電流目標値Ｉｉｎ＊などの操作量が大きな変動を生じる場合がある。
【００２３】
追従制御において、操作量が大きく変動すると、電圧および電流のリプルを生じることになる。たとえば、コンデンサからの電流を操作量とする制御では、電流の大きな変動によって、コンデンサの発熱が引き起こされ、素子の寿命に影響する。また交流（ＡＣ）系統の電流を操作量とする制御では、照明のちらつきなどの家電への影響が懸念される。さらに、急激な変動を繰り返す場合、ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility）への悪影響が考えられる。そこで、本発明の電力変換装置では、以下に示す各実施の形態の構成を採用している。
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置１０００の構成を示す図である。電力変換装置１０００は、図１に示すように、交流電源１の交流電力を直流電力に変換して出力するための主回路１１０と、制御回路１０Ａとを備えて構成される。主回路１１０は、電力変換回路に相当し、制御回路１０Ａは、制御部に相当する。
【００２５】
主回路１１０は、限流回路としてのリアクトル２と、コンバータ回路１００とを備える。コンバータ回路１００は、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａと、平滑コンデンサ３とを備える。平滑コンデンサ３は、電圧を平滑化するコンデンサであり、本実施の形態では、コンバータ回路１００の出力電圧を平滑化する。
【００２６】
電力変換装置１０００は、交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータである。ＡＣ−ＤＣコンバータは交流−直流変換回路に相当し、交流電力は交流入力に相当し、直流電力は直流出力に相当する。本実施の形態の電力変換装置１０００では、主回路１１０に入力される交流電源１からの交流電圧が、入力電圧Ｖｉｎとなる。
【００２７】
本実施の形態では、コンバータ回路１００は、４つの半導体スイッチング素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａを備える。以下の説明において、４つの半導体スイッチング素子を区別して示す場合には、第１コンバータ用素子１０１ａ、第２コンバータ用素子１０２ａ、第３コンバータ用素子１０３ａおよび第４コンバータ用素子１０４ａという。
【００２８】
第１および第２コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａは、直流母線３ａ，３ｂ間に直列に接続されてブリッジ回路を構成する。第１および第２コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａと並列して、第３および第４コンバータ用素子１０３ａ，１０４ａが直流母線３ａ，３ｂ間に直列に接続されてブリッジ回路を構成する。これらの２つのブリッジ回路でフルブリッジが構成されている。平滑コンデンサ３は、直流母線３ａ，３ｂ間に接続されている。
【００２９】
第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂが逆並列に接続されている。以下の説明において、ダイオード１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂを区別して示す場合には、第１ダイオード１０１ｂ、第２ダイオード１０２ｂ、第３ダイオード１０３ｂおよび第４ダイオード１０４ｂという。第１〜第４ダイオード１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂは、第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａにそれぞれ内蔵された構成であってもよい。
【００３０】
第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａとしては、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；略称：ＩＧＢＴ）などを用いてもよい。ＩＧＢＴなどを用いた場合も、それぞれダイオード１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂを逆並列に接続した構成とする。
【００３１】
交流電源１は、電力変換装置１０００の２つの入力端子、すなわち第１の入力端子ｔ１と第２の入力端子ｔ２との間に接続される。第１の入力端子ｔ１は、リアクトル２に接続され、リアクトル２は、第１コンバータ用素子１０１ａと第２コンバータ用素子１０２ａとの接続点に接続されている。また、第３コンバータ用素子１０３ａと第４コンバータ用素子１０４ａとの接続点は、第２の入力端子ｔ２に接続されている。
【００３２】
また、図示は省略するが、電力変換装置１０００は、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを測定する電圧計、入力電圧Ｖｉｎである交流電源１からの交流電圧を測定する電圧計、および入力電流Ｉｉｎである交流電源１からの交流電流を測定する電流計を備えている。平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを測定する電圧計は、第１のセンサに相当し、入力電圧Ｖｉｎを測定する電圧計は、第２のセンサに相当する。
【００３３】
制御回路１０Ａは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと、入力電圧Ｖｉｎと、入力電流Ｉｉｎとに基づいて、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊になるように、また、入力電流Ｉｉｎの力率がほぼ「１」となるように、第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａに対するゲート信号１１を生成して、電力変換装置１０００の出力制御を行う。平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊は、予め定められる。
【００３４】
平滑コンデンサ３には、不図示の負荷が接続されている。これによって、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低くなるため、制御回路１０Ａは、交流電源１からの交流電力を変換して平滑コンデンサ３に直流電力を供給するように出力制御を行う。
【００３５】
以上のように構成される電力変換装置１０００の動作、具体的には平滑コンデンサ３に直流電力を出力する動作について、以下に説明する。
【００３６】
制御回路１０Ａは、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性が正極性の場合には、第１コンバータ用素子１０１ａをオフし、第２コンバータ用素子１０２ａをオンすることによって、交流入力を短絡し、リアクトル２を励磁する。そして、第１コンバータ用素子１０１ａをオンし、第２コンバータ用素子１０２ａをオフすることによって、リアクトル２のエネルギーを交流電圧Ｖｉｎに重畳して出力し、平滑コンデンサ３を充電する。
【００３７】
このように第１および第２コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａをＰＷＭ制御することによって、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃおよび入力電流Ｉｉｎの制御を行うことができる。この場合、第３コンバータ用素子１０３ａをオフ状態とし、第４コンバータ用素子１０４ａをオン状態としている。
【００３８】
交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性が負極性の場合には、第３および第４コンバータ用素子１０３ａ，１０４ａを用いて、交流電圧Ｖｉｎの極性が正極性の場合と同様にＰＷＭ制御することによって、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃおよび入力電流Ｉｉｎの制御を行うことができる。この場合、第１コンバータ用素子１０１ａをオフ状態とし、第２コンバータ用素子１０２ａをオン状態としている。
【００３９】
以上のように本実施の形態では、交流電圧Ｖｉｎが正極性の場合には、第２コンバータ用素子１０２ａをオン状態とし、交流電圧Ｖｉｎが負極性の場合には、第４コンバータ用素子１０４ａをオン状態としているが、電流はソースからドレインの方向に流れるため、第２および第４コンバータ用素子１０２ａ，１０４ａをオフ状態として、逆並列接続されたダイオード１０２ｂ，１０４ｂに電流を流すように制御してもよい。また、力行動作のみの場合は、第１および第３コンバータ用素子１０１ａ，１０３ａは、ダイオード１０１ｂ，１０３ｂのみで構成されてもよい。
【００４０】
次に、電力変換装置１０００の制御の詳細について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置１０００の制御回路１０Ａの構成を示すブロック図である。制御回路１０Ａは、減算器１２０、比例積分（ＰＩ）制御器１２２、第１乗算器１２３、第２乗算器１２７、交流電源同期正弦波生成部１２８、第３乗算器１２９、差分器１３０、比例（Ｐ）制御器１３２およびＰＷＭ制御部１３４を備えて構成される。
【００４１】
制御回路１０Ａは、図１に示す平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に維持し、また、図１に示す交流電源１の力率がほぼ「１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御する。
【００４２】
具体的には、制御回路１０Ａにおいて、減算器１２０は、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた値を差分電圧１２１の値として出力する。減算器１２０から出力された差分電圧１２１の値は、フィードバック量として、ＰＩ制御器１２２に与えられる。
【００４３】
ＰＩ制御器１２２は、減算器１２０から与えられた差分電圧１２１の値について比例積分（ＰＩ）制御を行う。ＰＩ制御器１２２は、ＰＩ制御によって得られた値を、平滑コンデンサ３の目標電流Ｉｄｃ＊の値として出力する。出力された平滑コンデンサ３の目標電流Ｉｄｃ＊の値は、第１の操作量となる。
【００４４】
半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａのスイッチング制御によって制御されるのは、入力電流Ｉｉｎである。そこで、平滑コンデンサ３の目標電流Ｉｄｃ＊の値を、実際の制御での操作量となる入力電流実効値（Root Mean Square value；略称：ＲＭＳ）目標値ＩｉｎＲＭＳ＊に変換する。
【００４５】
理論的には、所定の電力における入出力の電流比から求められる変換乗数（Ｖｄｃ／ＶｉｎＲＭＳ）を、ＰＩ制御器１２２から出力される目標電流Ｉｄｃ＊の値に乗算することによって、第２の操作量として、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊を求めることができる。
【００４６】
第１乗算器１２３は、ＰＩ制御器１２２から出力される目標電流Ｉｄｃ＊の値と、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの値とを乗算し、乗算した値を、出力値１２４として出力する。出力値１２４は、第２乗算器１２７に与えられる。
【００４７】
第２乗算器１２７は、第１乗算器１２３から与えられる出力値１２４と、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数に相当する所定値１２６とを乗算して、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊を生成する。第２乗算器１２７によって生成された入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊は、第３乗算器１２９に与えられる。
【００４８】
ここで、所定値１２６は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳに基づいて演算する関数Ｆ（ｘ）１２５の出力である。この所定値１２６を用いた演算は、本実施の形態の電力変換装置１０００において特徴的な方法であり、その演算について以下に説明する。
【００４９】
関数Ｆ（ｘ）１２５によって求められる値は、前述のように、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数に相当する値である。しかし、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳが比較的小さい値である場合には、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止するために、関数Ｆ（ｘ）１２５によって求められる値は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数を直線近似した値とする。
【００５０】
図３は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ＶｉｎＲＭＳと、１／ＶｉｎＲＭＳの直線近似とを示すグラフである。図３において、横軸は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳ［Ｖ］を示し、縦軸は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳ［Ｖ−１］を示す。
【００５１】
図３では、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳを参照符号「１４０」で示される曲線および記号「〇」で表し、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳの直線近似を参照符号「１４１」で示される直線および記号「△」で表す。図３に示す入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳの直線近似１４１は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳを表す曲線１４０の、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳが２００Ｖ（ＶｉｎＲＭＳ＝２００Ｖ）である点における接線近似である。
【００５２】
図４は、図３に示す入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ＶｉｎＲＭＳ  １４０とその直線近似１４１とから決定された関数Ｆ（ｘ）１２５Ａを示すグラフである。図４において、横軸は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳであるｘの値を示し、縦軸は、関数Ｆ（ｘ）の値を示す。
【００５３】
関数Ｆ（ｘ）１２５Ａでは、ｘが２００以下である（ｘ≦２００）場合は、ｘの逆数１／ｘの直線近似を用い、ｘが２００を超える（ｘ＞２００）場合は、ｘの逆数１／ｘを用いる。ｘが２００である（ｘ＝２００）点は、ｘの逆数１／ｘとその直線近似との交点である。制御回路１０Ａは、このような関数Ｆ（ｘ）１２５Ａの入力を入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳとして、換言すればｘを入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳと置いて、所定値１２６を求める。
【００５４】
図２に戻って、交流電源同期正弦波生成部１２８は、交流電源１に同期した周波数および位相を有する正弦波を生成する。交流電源同期正弦波生成部１２８によって生成される正弦波の振幅は、√２である。交流電源同期正弦波生成部１２８は、生成した正弦波を第３乗算器１２９に与える。
【００５５】
第３乗算器１２９は、第２乗算器１２７で生成された入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊と、交流電源同期正弦波生成部１２８で生成された正弦波（振幅√２）とを乗算して、入力電圧Ｖｉｎである交流電源１からの交流電圧に同期した正弦波の電流指令値を、入力電流目標値Ｉｉｎ＊として生成する。これによって、力率がほぼ「１」となるように制御することができる。第３乗算器１２９によって生成された入力電流目標値Ｉｉｎ＊は、差分器１３０に与えられる。
【００５６】
差分器１３０は、第３乗算器１２９から与えられた入力電流目標値Ｉｉｎ＊と、入力電流Ｉｉｎの値との差分を取り、得られた値を差分電流１３１の値として出力する。差分器１３０から出力された差分電流１３１の値は、フィードバック量として、Ｐ制御器１３２に与えられる。
【００５７】
Ｐ制御器１３２は、差分器１３０から与えられた差分電流１３１の値について比例（Ｐ）制御を行う。Ｐ制御器１３２は、Ｐ制御を行うことによって得られた値を、電力変換装置１０００の発生電圧の目標値となる電圧指令値１３３として出力する。Ｐ制御器１３２から出力された電圧指令値１３３は、ＰＷＭ制御部１３４に与えられる。
【００５８】
ＰＷＭ制御部１３４は、Ｐ制御器１３２から与えられる電圧指令値１３３を用いて、図１に示す第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａに対するゲート信号１１を生成する。ＰＷＭ制御部１３４によって生成されたゲート信号１１は、第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａに与えられる。
【００５９】
以上に述べたように、第１の実施の形態における電力変換装置１０００では、第１の操作量である平滑コンデンサ３の目標電流Ｉｄｃ＊を、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊に変換するための変換乗数は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数に比例している。この入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の代わりに、別の所定値１２６が用いられる。すなわち、制御回路１０Ａは、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数に代えて、所定値１２６を用いて、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊を算出することが可能に構成される。
【００６０】
これによって、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの値が小さくなるに従って、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消し、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃのフィードバック制御において、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止することができる。したがって、電流の変動に起因する素子の発熱を防止することができ、急激な操作量の変動によるＥＭＣへの悪影響を抑制することができる。
【００６１】
また、以上のように、電力変換装置１０００の出力電圧である平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃのフィードバック制御において、その第２の操作量である入力電流ＩｉｎＲＭＳの変動を抑えることができることによって、電力変換装置１０００の入力側の回路への影響を抑制することができる。
【００６２】
また、本実施の形態の電力変換装置１０００は、交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータであるため、たとえば交流系統に接続される場合には、入力電流ＩｉｎＲＭＳの変動による照明のちらつきなどの家電機器などへの影響を抑制することが可能である。
【００６３】
また、本実施の形態では、関数Ｆ（ｘ）１２５Ａとして、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数を直線近似した値が用いられるので、関数Ｆ（ｘ）１２５Ａは、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数と同様に、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳに対して負の傾きを有する。したがって、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止しつつ、理論的な特性に近づけることができる。
【００６４】
また、本実施の形態では、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳの直線近似として、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の接線近似が用いられるので、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数よりも常に小さい値を所定値１２６として用いることができる。したがって、所定値１２６を、制御変動が常に抑制する方向に作用させることができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、図４に示すように、関数Ｆ（ｘ）１２５Ａとして、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ｘを直線近似した値と、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ｘとが組み合わせて用いられるので、操作量の変動が問題となる入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳが小さい値の範囲に絞って対策を講じることができる。
【００６６】
また、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数と、所定値１２６とのどちらを用いるかは、予め定める切替条件、たとえば入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳであるｘの値が、予め定める値以上か否かに基づいて切替えられる。これによって、逆数と所定値１２６とを適切に切替えることができるので、適切な制御を行うことができる。
【００６７】
また、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数と、所定値１２６とのどちらを用いるかは、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳであるｘの値に基づいて切替えられる。これによって、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数と、所定値１２６とを、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの変動に応じて切替えることができる。したがって、適切な制御を行うことができる。
【００６８】
また、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ｘを直線近似した値と、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ｘとのどちらの値に基づいて所定値１２６を生成するかが、これらの交点によって切り替えられるので、所定値１２６を、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳに対して連続的な値とすることができる。したがって、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの変動に対して急激な演算結果の変動が生じないようにすることができる。
【００６９】
本実施の形態では、電力変換装置１０００の力行動作のみについて説明したが、回生動作においても同様に、前述の所定値１２６を用いた制御演算が可能である。回生動作の場合には、電力変換装置１０００は、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が負の値となったとき、力率が「−１」となり、交流電源１側へ電力を出力するように第１〜第４コンバータ用素子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａを制御する。
【００７０】
また、本実施の形態では、電力変換装置１０００は、第１および第３コンバータ用素子１０１ａ，１０３ａを備えて構成されるが、電力変換装置１０００が力行動作のみを行う場合には、第１および第３コンバータ用素子１０１ａ，１０３ａを設けず、それぞれダイオード１０１ａ，１０３ｂのみとしてもよい。
【００７１】
また、電力変換装置１０００は、チョッパ制御によって電流制御されるコンバータであれば、本実施の形態で示した回路構成に限るものではない。電力変換装置１０００は、セミブリッジレス方式を示しているが、交流入力側にダイオードブリッジを備える構成、またはインタリーブ方式であっても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
また、本実施の形態では、電力変換装置１０００が、交流電源１に接続されるＡＣ−ＤＣコンバータとして動作する場合について示したが、同じ回路構成で直流電源に接続されてＤＣ−ＤＣコンバータとして動作する場合であっても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作する場合、電力変換装置１０００は、制御回路１０Ａによる平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの制御において、第１の操作量である平滑コンデンサ３の目標電流Ｉｄｃ＊を求める。第２の操作量として直流の入力電流Ｉｉｎの目標値を演算するための変換乗数は、直流の入力電圧である直流電源電圧Ｖｉｎの逆数に比例するため、電力変換装置１０００は、この直流電源電圧Ｖｉｎの逆数の代わりに、前述の所定値１２６を用いる。これによって、入力電流Ｉｉｎの急激な制御変動を抑えることができる。
【００７４】
また、電力変換装置の構成は、本実施の形態の電力変換装置１０００の構成に限定されるものではない。出力となる平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するために入力電流Ｉｉｎを操作するような電力変換装置であれば、回路構成に依らず、本実施の形態の電力変換装置１０００と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
また、前述の図４に示した関数Ｆ（ｘ）１２５Ａの値は一例であり、これに限定されるものではない。
【００７６】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数を接線近似した所定値を用いて、制御のための演算を行う。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる所定値を用いて、制御のための演算を行う。
【００７７】
本実施の形態における電力変換装置は、第１の実施の形態とは異なる所定値を用いて制御のための演算を行うこと以外は、第１の実施の形態における電力変換装置１０００と同一の構成を有する。すなわち、本実施の形態における電力変換装置の構成は、前述の図１に示す第１の実施の形態における電力変換装置１０００の構成と同一であり、本実施の形態における電力変換装置の制御回路の構成は、前述の図２のブロック図に示す第１の実施の形態における電力変換装置１０００の制御回路１０Ａの構成と同一である。
【００７８】
以下の説明では、本実施の形態における電力変換装置についても、「電力変換装置１０００」と記載する。本実施の形態における関数Ｆ（ｘ）１２５について、以下に説明する。
【００７９】
第１の実施の形態において、図４に示す関数Ｆ（ｘ）１２５Ａによって求められる値は、前述のように入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数に相当する値である。本実施の形態では、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳが比較的小さい値である場合に、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止するために、交流電源１が交流１００Ｖ系のときには、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数よりも小さい固定値である、予め定める定数を関数Ｆ（ｘ）１２５の出力とする。
【００８０】
図５は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数１／ＶｉｎＲＭＳ  １４０と固定値とから決定された関数Ｆ（ｘ）１２５Ｂを示すグラフである。図５において、横軸は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳであるｘの値を示し、縦軸は関数Ｆ（ｘ）の値を示す。
【００８１】
関数Ｆ（ｘ）１２５Ｂでは、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳが交流１００Ｖ系となるｘが１５０以下（ｘ≦１５０）の場合は固定値を用い、ｘが１５０を超える（ｘ＞１５０）場合は交流２００Ｖ系と判断して、ｘの逆数である１／ｘを用いる。固定値は、図５に示す例では、０．００５である。
【００８２】
このような関数Ｆ（ｘ）１２５Ｂの入力を入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳとして、すなわちｘを入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳと置いて、所定値１２６が求められる。
【００８３】
これによって、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ＶｉｎＲＭＳの値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消し、フィードバック制御において、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止することができる。したがって、電流の変動による素子発熱を防止し、操作量の急激な変動によるＥＭＣへの悪影響を抑制することができる。
【００８４】
また、本実施の形態では、ｘが所定値以下の場合には、関数Ｆ（ｘ）として、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の代わりに、固定値が用いられる。これによって、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを、比較的単純な方法で、より確実に防止することができる。
【００８５】
また、本実施の形態では、関数Ｆ（ｘ）１２５Ｂで固定値を用いるか否かの判定は、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳであるｘの値に基づいて行われる。これによって、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数である１／ｘが比較的大きい値となる条件下において、所定値１２６として出力される値を切り替えることができる。
【００８６】
以上に述べた本実施の形態では、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳに基づいて、固定値を用いるか否かの判定を行っているが、これに限定されない。たとえば、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の演算結果に対して、固定値に基づいて上限を設けてもよい。これによって、本実施の形態と同様に、固定値を用いて、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊の変動を抑制することができる。
【００８７】
＜第３の実施の形態＞
図６は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の構成を示す図である。本実施の形態の電力変換装置２０００は、前述の図１に示す第１の実施の形態の電力変換装置１０００と構成が類似しているので、同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。
【００８８】
図６に示すように、本実施の形態の電力変換装置２０００は、交流電源１の交流電力を直流電力に変換して出力する主回路１１０Ａと、制御回路１０Ｂとを備えて構成される。主回路１１０Ａは、限流回路を構成するリアクトル２と、インバータ回路２００と、コンバータ回路３００と、平滑コンデンサ３とを備える。平滑コンデンサ３は、他のコンデンサに相当する。
【００８９】
交流電源１は、電力変換装置２０００の第１の入力端子ｔ１と第２の入力端子ｔ２との間に接続される。第１の入力端子ｔ１は、リアクトル２に接続される。リアクトル２は、単相インバータで構成されたインバータ回路２００に直列に接続される。
【００９０】
インバータ回路２００は、リアクトル２に接続される２つの半導体スイッチング素子、すなわち第１および第２インバータ用素子２０１ａ，２０２ａと、コンバータ回路３００に接続される２つの半導体スイッチング素子、すなわち第３および第４インバータ用素子２０３ａ，２０４ａと、直流電圧源２０５とを備える。直流電圧源２０５は、コンデンサで構成される。
【００９１】
第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード２０１ｂ〜２０４ｂが逆並列に接続されている。以下の説明において、ダイオード２０１ｂ〜２０４ｂを区別して示す場合には、第１ダイオード２０１ｂ、第２ダイオード２０２ｂ、第３ダイオード２０３ｂおよび第４ダイオード２０４ｂという。第１〜第４ダイオード２０１ｂ〜２０４ｂは、第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａにそれぞれ内蔵された構成であってもよい。
【００９２】
コンバータ回路３００は、前段および後段の２つのブリッジ回路を有する。前段側の交流端子は、インバータ回路２００の交流出力線に接続される。後段側の交流端子は、第２の入力端子ｔ２に接続される。コンバータ回路３００は、コンバータ回路３００の直流母線３ａ，３ｂ間に接続された平滑コンデンサ３に直流電力を出力する。平滑コンデンサ３は、コンバータ回路３００から出力される直流出力を平滑化するように、コンバータ回路３００の直流母線３ａ，３ｂ間に接続される。
【００９３】
コンバータ回路３００は、直流母線３ａ，３ｂ間に直列に接続される２つの半導体スイッチング素子、すなわち第１および第２コンバータ用素子３０１ａ，３０２ａと、同じく直流母線３ａ，３ｂ間に直列に接続される２つの半導体スイッチング素子、すなわち第３および第４コンバータ用素子３０３ａ，３０４ａとを備える。
【００９４】
第１〜第４コンバータ用素子３０１ａ〜３０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード３０１ｂ〜３０４ｂが逆並列に接続されている。以下の説明において、ダイオード３０１ｂ〜３０４ｂを区別して示す場合には、第１ダイオード３０１ｂ、第２ダイオード３０２ｂ、第３ダイオード３０３ｂおよび第４ダイオード３０４ｂという。第１〜第４ダイオード３０１ｂ〜３０４ｂは、第１〜第４コンバータ用素子３０１ａ〜３０４ａにそれぞれ内蔵された構成であってもよい。
【００９５】
インバータ回路２００の交流出力線には、コンバータ回路３００の第１コンバータ用素子３０１ａのソースと第２コンバータ用素子３０２ａのドレインとの接続点が接続されている。また、第３コンバータ用素子３０３ａのソースと第４コンバータ用素子３０４ａのドレインとの接続点は、第２の入力端子ｔ２を介して交流電源１に接続されている。
【００９６】
半導体スイッチング素子２０１ａ〜２０４ａ，３０１ａ〜３０４ａとしては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）以外にも、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いてもよい。ＩＧＢＴなどを用いた場合も、それぞれダイオード２０１ｂ〜２０４ｂ，３０１ｂ〜３０４ｂを逆並列に接続した構成とする。
【００９７】
また、リアクトル２は、インバータ回路２００とコンバータ回路３００との間に直列接続してもよいし、コンバータ回路３００と第２の入力端子ｔ２との間に直列接続してもよい。また、コンバータ回路３００は、半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａに代えて、機械式スイッチを備えてもよい。
【００９８】
また、図示は省略するが、電力変換装置２０００は、インバータ回路２００の直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂを測定する電圧計、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを測定する電圧計、入力電圧Ｖｉｎである交流電源１からの交流電圧を測定する電圧計、および入力電流Ｉｉｎである交流電源１からの交流電流を測定する電流計を備えている。直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂを測定する電圧計は、第１のセンサに相当し、入力電流Ｉｉｎを測定する電流計は、第２のセンサに相当する。
【００９９】
制御回路１０Ｂは、インバータ回路２００の直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂと、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと、電力変換装置２０００の第１および第２の入力端子ｔ１，ｔ２間に印加される入力電圧Ｖｉｎと、第１および第２の入力端子ｔ１，ｔ２に流れる入力電流Ｉｉｎとに基づいて、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊になるように、インバータ回路２００およびコンバータ回路３００内の半導体スイッチング素子２０１ａ〜２０４ａ，３０１ａ〜３０４ａに与えるゲート信号１２，１３を生成して、インバータ回路２００およびコンバータ回路３００の出力制御を行う。平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊は、予め定められる。
【０１００】
平滑コンデンサ３には、図示しない負荷が接続されている。これによって、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低くなるため、制御回路１０Ｂは、交流電源１からの交流電力を変換して平滑コンデンサ３に直流電力を供給するようにインバータ回路２００およびコンバータ回路３００の出力制御を行う。
【０１０１】
このように構成される電力変換装置２０００の力行動作、すなわち平滑コンデンサ３に直流電力を出力する動作について、図７〜図１２に基づいて説明する。
【０１０２】
図７、図８、図１１および図１２は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の力行動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。図７、図８、図１１および図１２では、電流が流れる経路を太線で示している。図９は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の昇圧時の各部の波形とインバータ回路２００の直流電圧源２０５の充放電状態とを示す図である。図１０は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の降圧時の各部の波形とインバータ回路２００の直流電圧源２０５の充放電状態とを示す図である。
【０１０３】
ここで、電力変換装置２０００の出力段である平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐよりも高い場合を「昇圧」といい、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐよりも低い場合を「降圧」という。
【０１０４】
図９および図１０では、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊に制御されている状態を示している。
【０１０５】
交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎは、図９（ａ）および図１０（ａ）に示すように正弦波形となる。インバータ回路２００は、交流電源１からの入力力率がほぼ「１」になるように、ＰＷＭ制御による高周波スイッチングによって、入力電流Ｉｉｎを制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源１の出力である入力電圧Ｖｉｎに重畳する。
【０１０６】
交流電源１の電圧位相をθとし、まず、入力電圧Ｖｉｎが正極性である０≦θ＜πの場合について説明する。
【０１０７】
インバータ回路２００では、第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオン状態であり、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源２０５を充電するように電流が流れる。第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオン状態であり、第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオフ状態の場合には、直流電圧源２０５を放電するように電流が流れる。
【０１０８】
また、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオン状態であり、第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオフ状態である場合、および第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオン状態であり、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５をスルーして電流が流れる。
【０１０９】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせによって、第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａを制御して、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充放電させ、交流電源１からの入力力率がほぼ「１」になるように電流制御を行う。
【０１１０】
各半導体スイッチング素子２０１ａ〜２０４ａに流れる電流が、ソースからドレインへ流れる場合は、その半導体スイッチング素子２０１ａ〜２０４ａをオフして、逆並列接続されたダイオード２０１ｂ〜２０４ｂに電流を流すように制御してもよい。
【０１１１】
図７に示すように、交流電源１からの電流は、リアクトル２で限流され、インバータ回路２００に入力される。インバータ回路２００の出力は、コンバータ回路３００内の第１ダイオード３０１ｂを介して平滑コンデンサ３を充電し、第４ダイオード３０４ｂを経て交流電源１に戻る。
【０１１２】
制御回路１０Ｂは、前述の４種の制御の組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を放電、あるいは充電するように電流制御を行う。
【０１１３】
交流電源１からの電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相を中央とし、短絡位相をθ１として、±θ１の位相範囲（以下「短絡期間Ｔ」という場合がある）では、図９に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００の制御において、短絡用スイッチとなる第２コンバータ用素子３０２ａをオン状態として平滑コンデンサ３をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路３００内の第１、第３および第４コンバータ用素子３０１ａ，３０３ａ，３０４ａをオフさせる。
【０１１４】
交流電源１からの電流は、リアクトル２で限流され、インバータ回路２００に入力されて直流電圧源２０５を充電した後、コンバータ回路３００内の第２コンバータ用素子３０２ａおよび第４ダイオード３０４ｂを経て交流電源１に戻る。
【０１１５】
制御回路１０は、前述の４種の制御の組み合わせのうち、直流電圧源１０５を充電する制御とスルーさせる制御との組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させて、直流電圧源１０５を構成するコンデンサを充電する電流制御を行う。
【０１１６】
次に、入力電圧Ｖｉｎが負極性であるπ≦θ＜２πの場合について説明する。インバータ回路２００では、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオン状態であり、第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５を充電するように電流が流れる。第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオン状態であり、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５を放電するように電流が流れる。
【０１１７】
また、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオン状態であり、第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオフ状態である場合、ならびに第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオン状態であり、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５をスルーして電流が流れる。
【０１１８】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせによって、第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａを制御して、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充放電させ、電流制御を行う。
【０１１９】
図１１に示すように、交流電源１からの電流は、コンバータ回路３００内の第３ダイオード３０３ｂを通り、平滑コンデンサ３を充電し、第２ダイオード３０２ｂを経て、インバータ回路２００に入力される。インバータ回路２００の出力は、リアクトル２を経て、交流電源１に戻る。
【０１２０】
制御回路１０Ｂは、前述の４種の制御の組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を放電、あるいは充電して電流制御を行う。
【０１２１】
短絡期間Ｔでは、図１２に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００の制御において短絡用スイッチとなる第４コンバータ用素子３０４ａをオン状態として、平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０１２２】
このとき、コンバータ回路３００内の他の半導体スイッチング素子、すなわち第１、第２および第３コンバータ用素子３０１ａ，３０２ａ，３０３ａをオフさせる。交流電源１からの電流は、コンバータ回路３００の第４コンバータ用素子３０４ａおよび第２ダイオード３０２ｂを経て、インバータ回路２００に入力され、直流電圧源２０５を充電して、リアクトル２を経て交流電源１に戻る。
【０１２３】
制御回路１０Ｂは、前述の４種の制御の組み合わせのうち、直流電圧源２０５を充電する制御とスルーさせる制御との組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充電させ、電流制御を行う。
【０１２４】
以上の説明では、コンバータ回路３００の制御において、制御回路１０Ｂが第２および第４コンバータ用素子３０２ａ，３０４ａを短絡用スイッチとして動作させる場合のみオンさせる例を示したが、ダイオード３０１ｂ〜３０４ｂに電流を流す場合は、これらのダイオード３０１ｂ〜３０４ｂがそれぞれ逆並列接続されている半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａをオンさせて、半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａ側に電流を流してもよい。
【０１２５】
すなわち、入力電圧Ｖｉｎが正極および負極のいずれの極性においても、短絡期間Ｔにおいて２つの半導体スイッチング素子３０２ａ，３０４ａを短絡用スイッチとしてオンさせてもよく、また、他の２つの半導体スイッチング素子３０１ａ，３０３ａを短絡用スイッチとしてオンさせてもよい。
【０１２６】
このような動作によって、電力変換装置２０００の昇圧時には、図９に示すように、インバータ回路２００は、短絡期間Ｔにおいて電圧「−Ｖｉｎ」を出力して交流電源１によって直流電圧源２０５を充電する。その後、θ１≦θ＜π−θ１の期間において直流電圧源２０５を放電するとき、交流電源１の入力電圧Ｖｉｎにインバータ回路２００の出力電圧である「Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ」を加算する。これによって、交流電源１のピーク電圧より高い目標電圧Ｖｄｃ＊となるように、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが制御される。
【０１２７】
また、電力変換装置２０００の降圧時には、図１０に示すように、インバータ回路２００は、短絡期間Ｔにおいて電圧「−Ｖｉｎ」を出力して交流電源１によって直流電圧源２０５を充電し、その後、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎにインバータ回路２００の出力電圧を加算する。これによって、交流電源１のピーク電圧より低い目標電圧Ｖｄｃ＊となるように、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが制御される。
【０１２８】
交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎが平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と等しくなるときの位相をθ２（０＜θ２＜π／２）とすると、位相範囲がθ１≦θ＜θ２およびπ−θ２≦θ＜π−θ１である場合は、インバータ回路２００は、電圧「Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ」を出力して直流電圧源２０５を放電する。位相範囲がθ２≦θ＜π−θ２である場合は、インバータ回路２００は、電圧「Ｖｉｎ−Ｖｄｃ＊」を出力して直流電圧源２０５を充電する。
【０１２９】
以上のように、制御回路１０Ｂは、交流電源１の電圧位相θのゼロクロス位相（θ＝０、π）を中央とする±θ１の位相範囲で、コンバータ回路３００の制御を切り替え、ゼロクロス位相を中央とする±θ１の位相範囲である短絡期間Ｔでのみ、短絡用スイッチとなる第２および第４コンバータ用素子３０２ａ，３０４ａをオン状態として、平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０１３０】
短絡期間Ｔの位相範囲では、制御回路１０Ｂは、インバータ回路２００から入力電圧Ｖｉｎの逆極性にほぼ等しい電圧を発生させつつ、入力力率がほぼ「１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御して、インバータ回路２００の出力を制御する。これによって、直流電圧源２０５が充電される。
【０１３１】
一方、短絡期間Ｔ以外の位相範囲では、制御回路１０Ｂは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に維持し、また入力力率がほぼ「１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御して、インバータ回路２００の出力を制御する。この場合、入力電圧Ｖｉｎの絶対値が平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊以下であれば、直流電圧源２０５は放電され、入力電圧Ｖｉｎの絶対値が目標電圧Ｖｄｃ＊を超えると、直流電圧源２０５は充電される。
【０１３２】
短絡期間Ｔは、ゼロクロス位相（θ＝０、π）が短絡期間Ｔの中央となるものとして説明したが、ゼロクロス位相を含む位相範囲で、いずれかに偏るように短絡期間Ｔを設定してもよい。
【０１３３】
また、短絡期間Ｔの位相範囲は、インバータ回路２００の直流電圧源２０５の充電と放電のエネルギーが等しくなるように決定できる。
【０１３４】
すなわち、インバータ回路２００の直流電圧源２０５の充放電エネルギーが等しいとすると、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊がピーク電圧Ｖｐよりも小さい（Ｖｄｃ＊＜Ｖｐ）場合の降圧時には、以下の式（１）が成り立つ。ただし、Ｖｐは、入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧であり、Ｉｐは、入力電流Ｉｉｎのピーク電流である。
【０１３５】
【数１】
0005950970.tif 000002
【０１３６】
ここで、Ｖｉｎ＝Ｖｐ・ｓｉｎθ、Ｉｉｎ＝Ｉｐ・ｓｉｎθとすると、Ｖｄｃ＊は以下の式（２）で定義される。
【０１３７】
【数２】
0005950970.tif 000003
【０１３８】
式（２）から、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊の下限値は、θ１が０となる場合に得られ、その値は（π／４）Ｖｐとなる。
【０１３９】
このように、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊は、短絡期間Ｔの位相範囲を決定するθ１によって決まるので、θ１を変化させることで制御することができる。
【０１４０】
そして、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃは、目標電圧Ｖｄｃ＊に追従するように制御される。
【０１４１】
次に、インバータ回路２００の直流電圧源２０５の電圧条件について説明する。
【０１４２】
直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂを、昇圧時では、位相範囲０≦θ＜θ１およびθ１≦θ＜π／２、また降圧時では、位相範囲０≦θ＜θ１、θ１≦θ＜θ２およびθ２≦θ＜π／２のそれぞれにおけるインバータ回路２００の所望の発生電圧の大きさ以上に設定する。これによって、インバータ回路２００は、前述の所望の制御を信頼性良く行うことができる。すなわち、直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂは、以下の式（３）〜式（５）を満たす必要がある。
【０１４３】
【数３】
0005950970.tif 000004
【０１４４】
【数４】
0005950970.tif 000005
【０１４５】
【数５】
0005950970.tif 000006
【０１４６】
ＰＷＭ制御されるインバータ回路２００では、直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂが大きくなると損失が増大するため、直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂは、前述の式（３）、式（４）および式（５）を満たした上で、できるだけ小さく設定することが望ましい。
【０１４７】
そして、ゼロクロス位相を中央として±θ１の位相範囲のみを、平滑コンデンサ３をバイパスする短絡期間Ｔとすることによって、インバータ回路２００は、短絡期間Ｔでも、それ以外の期間でも入力力率がほぼ「１」になるように電流Ｉｉｎを制御し、かつ平滑コンデンサ３に所望の電圧の直流電力を出力することができる。
【０１４８】
また、電流Ｉｉｎが、入力力率が「１」になるように制御されている前提のもと、位相範囲０≦θ＜θ１、θ１≦θ＜θ２およびθ２≦θ＜π／２の直流電圧Ｖｓｕｂのリプルを定式化し、位相範囲０〜π／２での直流電圧Ｖｓｕｂの変化量をΔＶｓｕｂとしたとき、位相範囲０〜π／２の間で直流電圧ＶｓｕｂをΔＶｓｕｂの分、変化させるための直流電圧源電流をＩｓｕｂとすると、短絡位相θ１は以下の式（６）のように表すことができる。
【０１４９】
【数６】
0005950970.tif 000007
【０１５０】
所定の入力電圧Ｖｉｎ、直流電圧Ｖｄｃ、直流電圧Ｖｓｕｂ、電流Ｉｉｎで動作している場合、式（６）から求まる位相θ１を操作することによって、直流電圧源電流Ｉｓｕｂを制御することができる。すなわち、位相θ１を操作することによって、直流電圧Ｖｓｕｂを制御することが可能である。
【０１５１】
次に、電力変換装置２０００の回生動作、すなわち、平滑コンデンサ３の電力を交流電源１に出力する動作について、図１３〜図１６を用いて説明する。図１３〜図１６は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の回生動作を説明するための主回路１１０Ａの電流経路を示す図である。
【０１５２】
交流電源１の電圧位相をθとし、まず、電圧Ｖｉｎが正極性である０≦θ＜πの場合について説明する。
【０１５３】
インバータ回路２００では、第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオン状態であり、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５を放電するように電流が流れる。また、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオン状態であり、第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５を充電するように電流が流れる。
【０１５４】
また、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオン状態であり、第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオフ状態である場合、ならびに第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオン状態であり、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５をスルーして電流が流れる。
【０１５５】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせによって、半導体スイッチング素子２０１ａ〜２０４ａを制御して、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充放電させ、インバータ回路２００の交流側の発生電圧を、交流電源１の出力である電圧Ｖｉｎに重畳し、交流電源１の力率がほぼ「−１」になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【０１５６】
インバータ回路２００の半導体スイッチング素子であるインバータ用素子２０１ａ〜２０４ａに流れる電流が、ソースからドレインに流れる場合は、その半導体スイッチング素子２０１ａ〜２０４ａをオフして、それぞれに逆並列接続されたダイオード２０１ｂ〜２０４ｂ側に電流を流してもよい。
【０１５７】
図１３に示すように、コンバータ回路３００では、半導体スイッチング素子３０１ａ，３０４ａをオン状態とすると、平滑コンデンサ３の正極からの電流は、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０１ａを通り、インバータ回路２００に入力される。インバータ回路２００からの電流は、リアクトル２を経て、第１の入力端子ｔ１から交流電源１に回生され、さらに第２の入力端子ｔ２からコンバータ回路３００の半導体スイッチング素子である第４コンバータ用素子３０４ａを経て、平滑コンデンサ３の負極に戻る。
【０１５８】
制御回路１０Ｂは、前述の４種の制御の組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充電、あるいは放電させて電流制御を行う。直流電圧源２０５は、平滑コンデンサ３からのエネルギーで充電され、放電される場合には、直流電圧源２０５からのエネルギーは、平滑コンデンサ３からのエネルギーと共に交流電源１へ回生される。
【０１５９】
交流電源１の電圧位相θのゼロクロス位相を中央とする±θ１の位相範囲である短絡期間Ｔでは、図１４に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００の短絡用スイッチとなる半導体スイッチング素子である第４コンバータ用素子３０４ａをオン状態として平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０１６０】
インバータ回路２００からの電流は、リアクトル２を経て、第１の入力端子ｔ１から交流電源１に回生され、さらに第２の入力端子ｔ２からコンバータ回路３００の半導体スイッチング素子である第４コンバータ用素子３０４ａ、第２ダイオード３０２ｂを経て、インバータ回路２００に戻る。
【０１６１】
制御回路１０Ｂは、直流電圧源２０５を放電する制御とスルーさせる制御との組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を放電させ、電流制御を行う。
【０１６２】
次に、電圧Ｖｉｎが負極性であるπ≦θ＜２πの場合について説明する。インバータ回路２００では、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオン状態であり、第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５を放電するように電流が流れる。第１および第４インバータ用素子２０１ａ，２０４ａがオン状態であり、第２および第３インバータ用素子２０２ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５を充電するように電流が流れる。
【０１６３】
また、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオン状態であり、第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオフ状態である場合、ならびに第２および第４インバータ用素子２０２ａ，２０４ａがオン状態であり、第１および第３インバータ用素子２０１ａ，２０３ａがオフ状態である場合には、直流電圧源２０５をスルーして電流が流れる。
【０１６４】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせによって、インバータ回路２００の半導体スイッチング素子である第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａを制御して、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充放電させ、インバータ回路２００の交流側の発生電圧を交流電源１の出力である電圧Ｖｉｎに重畳し、交流電源１の力率がほぼ「−１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御する。
【０１６５】
図１５に示すように、コンバータ回路３００では、第２および第３コンバータ用素子３０２ａ，３０３ａをオン状態とすると、平滑コンデンサ３の正極からの電流は、コンバータ回路３００の第３コンバータ用素子３０３ａを経て、第２の入力端子ｔ２から交流電源１に回生され、さらに第１の入力端子ｔ１からリアクトル２を経て、インバータ回路２００に入力される。インバータ回路２００からの電流は、コンバータ回路３００の第２コンバータ用素子３０２ａを経て、平滑コンデンサ３の負極に戻る。
【０１６６】
制御回路１０Ｂは、前述の４種の制御の組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を充電、あるいは放電させて、電流制御を行う。
【０１６７】
直流電圧源２０５は、平滑コンデンサ３からのエネルギーで充電される。放電される場合には、直流電圧源２０５からのエネルギーは、平滑コンデンサ３からのエネルギーと共に交流電源１へ回生される。
【０１６８】
交流電源１の電圧位相θのゼロクロス位相を中央とする±θ１の位相範囲である短絡期間Ｔでは、図１６に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００の短絡用スイッチとなる第２コンバータ用素子３０２ａをオン状態として平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０１６９】
インバータ回路２００からの電流は、コンバータ回路３００の第２コンバータ用素子３０２ａおよび第４ダイオード３０４ｂを経て、第２の入力端子ｔ２から交流電源１に回生され、さらに第１の入力端子ｔ１からリアクトル２を経て、インバータ回路２００に戻る。
【０１７０】
制御回路１０Ｂは、直流電圧源２０５を放電する制御とスルーさせる制御との組み合わせによって、インバータ回路２００をＰＷＭ動作させる。これによって、直流電圧源２０５を放電させ、電流制御を行う。
【０１７１】
制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００の制御において、入力電圧Ｖｉｎが正極および負極のいずれの極性においても、短絡期間Ｔにおいて２つの半導体スイッチング素子、たとえば第２および第４コンバータ用素子３０２ａ，３０４ａを短絡用スイッチとしてオンさせてもよく、また、他の２つの半導体スイッチング素子である第１および第３コンバータ用素子３０１ａ，３０３ａを短絡用スイッチとしてオンさせてもよい。
【０１７２】
以上に説明したように、回生動作では力行動作と同様に、制御回路１０Ｂは、交流電源１の電圧位相θのゼロクロス位相（θ＝０、π）±θ１で、コンバータ回路３００の制御を切り替え、ゼロクロス位相を中央とする±θ１の位相範囲である短絡期間Ｔでのみ平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０１７３】
短絡期間Ｔの位相範囲では、制御回路１０Ｂは、インバータ回路２００から入力電圧Ｖｉｎの逆極性にほぼ等しい電圧を発生させつつ、入力力率がほぼ「−１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御して、インバータ回路２００を出力制御し、直流電圧源２０５は放電される。
【０１７４】
短絡期間Ｔ以外の位相範囲では、制御回路１０Ｂは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に維持し、また入力力率がほぼ「−１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御して、インバータ回路２００の出力制御を行う。
【０１７５】
この場合、入力電圧Ｖｉｎの絶対値が平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊以下の場合、直流電圧源２０５は充電され、入力電圧Ｖｉｎの絶対値が目標電圧Ｖｄｃ＊を超えると、直流電圧源２０５は放電される。
【０１７６】
短絡期間Ｔは、ゼロクロス位相（θ＝０、π）が短絡期間Ｔの中央となるものとして説明したが、ゼロクロス位相を含む位相範囲で、いずれかに偏るように短絡期間Ｔを設定してもよい。
【０１７７】
また、力行動作にて示した短絡位相θ１を求める式（６）は、回生動作では式（７）のように表すことができる。
【０１７８】
【数７】
0005950970.tif 000008
【０１７９】
次に、コンバータ回路３００およびインバータ回路２００の制御の詳細について、図１７および図１８に基づいて説明する。図１７および図１８は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の制御回路１０Ｂの構成を示すブロック図である。さらに具体的には、図１７は、制御回路１０Ｂによるコンバータ回路３００の出力制御に関係する部分の構成を示すブロック図であり、図１８は、制御回路１０Ｂによるインバータ回路２００の出力制御に関係する部分の構成を示すブロック図である。
【０１８０】
コンバータ回路３００の出力制御を行う場合の制御回路１０Ｂは、差分器１５０、比例積分（ＰＩ）制御器１５１、乗算器１５２、短絡位相演算器１５６、力行・回生選択器１５７、三角波生成部１５９およびＰＷＭ制御部１６０を備えて構成される。
【０１８１】
図１７に示すコンバータ回路３００の出力制御において、制御回路１０Ｂは、インバータ回路２００の直流電圧源２０５の直流電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御を行う。
【０１８２】
具体的には、まず、制御回路１０Ｂにおいて、差分器１５０は、設定された電圧指令値Ｖｓｕｂ＊と検出された直流電圧Ｖｓｕｂとの差分を取り、得られた値を差分電圧ΔＶｓｕｂの値として出力する。差分器１５０から出力された差分電圧ΔＶｓｕｂの値は、フィードバック量として、ＰＩ制御器１５１に与えられる。
【０１８３】
ＰＩ制御器１５１は、差分器１５０から与えられた差分電圧ΔＶｓｕｂの値について比例積分（ＰＩ）制御を行う。ＰＩ制御器１５１は、ＰＩ制御によって得られた値を、直流電源電流目標値Ｉｓｕｂ＊として出力する。出力された直流電源電流目標値Ｉｓｕｂ＊は、第１の操作量となる。
【０１８４】
理論的には、力行動作であれば式（６）、回生動作であれば式（７）の直流電圧源電流Ｉｓｕｂとして直流電源電流目標値Ｉｓｕｂ＊を代入して、第２の操作量となる短絡位相目標値θ１＊を求め、直流電圧Ｖｓｕｂを制御することができる。ここで、式（６）、式（７）の直流電圧源電流Ｉｓｕｂの項に注目すると、電流Ｉｉｎのピーク電流Ｉｐ（＝√２×ＩｉｎＲＭＳ）の逆数が乗算されている。
【０１８５】
電力変換装置２０００の出力電力が低下した場合、電流ＩｉｎＲＭＳは０アンペア（Ａ）まで低下することもあり、電流ＩｉｎＲＭＳの減少に伴って、ピーク電流Ｉｐの逆数は無限大の値まで急激に増加する。これによって、直流電源電流目標値Ｉｓｕｂ＊の変化に対して短絡位相θ１が急激に変動し、制御変動を生じてしまう。この制御変動を生じないように、本実施の形態の電力変換装置２０００では、ピーク電流Ｉｐの逆数に相当する所定値を用いて、第２の操作量となる位相目標値θ１＊を求める。
【０１８６】
乗算器１５２は、ＰＩ制御器１５１から出力される直流電源電流目標値Ｉｓｕｂ＊と、Ｉｐ（＝√２×ＩｉｎＲＭＳ）の逆数に相当する所定値１５４とを乗算し、その出力１５５を短絡位相演算器１５６に与える。短絡位相演算器１５６は、乗算器１５２から与えられる出力１５５と、後述する力行・回生選択器１５７から与えられる信号とに基づいて、短絡位相目標値θ１＊を求める。
【０１８７】
ここで、所定値１５４は、ピーク電流Ｉｐに基づいて演算する関数Ｆ（ｘ）１５３の出力である。この所定値１５４を用いた演算は、本実施の形態の電力変換装置２０００において特徴的な方法であり、その演算について以下に説明する。
【０１８８】
関数Ｆ（ｘ）１５３によって求められる値は、前述のように、ピーク電流Ｉｐの逆数に相当する値である。しかし、ピーク電流Ｉｐが比較的小さい値である場合には、第２の操作量である短絡位相目標値θ１＊が大きく変動することを防止するために、ピーク電流Ｉｐの逆数を直線近似した値とする。
【０１８９】
図１９および図２０を用いて、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置２０００の制御回路１０Ｂの制御演算について説明する。図１９は、ピーク電流Ｉｐの逆数である１／Ｉｐと、１／Ｉｐの直線近似とを示すグラフである。図１９において、横軸は、ピーク電流Ｉｐ［Ａ］を示し、縦軸は、ピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐ［Ａ−１］を示す。
【０１９０】
図１９では、ピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐを参照符号「１４５」で示される曲線および記号「〇」で表し、ピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐの直線近似を参照符号「１４６」で示される直線および記号「△」で表す。図１９に示すピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐの直線近似１４６は、ピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐを表す曲線１４５の、ピーク電流Ｉｐが４アンペア［Ａ］（Ｉｐ＝４Ａ）である点における接線近似である。
【０１９１】
図２０は、図１９に示すピーク電流Ｉｐの逆数１／Ｉｐ  １４５とその直線近似１４６とから決定された関数Ｆ（ｘ）１５３を示すグラフである。図２０において、横軸は、ピーク電流Ｉｐであるｘの値を示し、縦軸は、関数Ｆ（ｘ）の値を示す。
【０１９２】
関数Ｆ（ｘ）１５３では、ｘが４以下である（ｘ≦４）場合は、ｘの逆数１／ｘの直線近似を用い、ｘが４を超える（ｘ＞４）場合は、ｘの逆数１／ｘを用いる。ｘが４である（ｘ＝４）点は、ｘの逆数１／ｘとその直線近似との交点である。制御回路１０Ｂは、このような関数Ｆ（ｘ）１５３の入力をピーク電流Ｉｐとして、換言すればｘをピーク電流Ｉｐと置いて、所定値１５４を求める。
【０１９３】
図１７に戻って、力行・回生選択器１５７は、式（６）および式（７）のどちらで短絡位相目標値θ１＊を演算するかを選択し、その選択結果を表す信号を短絡位相演算器１５６に与える。
【０１９４】
また、短絡位相演算器１５６で求められた短絡位相目標値θ１＊は、ＰＷＭ制御部１６０に与えられる。ＰＷＭ制御部１６０では、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子である第１〜第４コンバータ用素子３０１ａ〜３０４ａに対するゲート信号１３を生成する。
【０１９５】
ＰＷＭ制御部１６０では、三角波生成部１５９において生成された交流電源１の周波数の２倍の周期に同期した三角波（以下「交流電源周期三角波」という場合がある）をキャリア波として用いて比較演算し、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎがゼロクロスする位相をほぼ中央として動作するゲート信号１３を生成する。ゲート信号１３は、交流電源１の周波数の２倍の低周波スイッチング信号となる。
【０１９６】
したがって、このゲート信号１３によってコンバータ回路３００の交流端子間を短絡する短絡期間Ｔも制御される。具体的には、力行動作時には、直流電圧Ｖｓｕｂが低下すると、短絡期間Ｔは長くなるように制御され、直流電圧Ｖｓｕｂが増加すると、短絡期間Ｔは短くなるように制御される。また、回生動作時には、直流電圧Ｖｓｕｂが低下すると、短絡期間Ｔは短くなるように制御され、直流電圧Ｖｓｕｂが増加すると短絡期間Ｔは長くなるように制御される。
【０１９７】
インバータ回路２００の出力制御を行う場合の制御回路１０Ｂは、減算器１２０、比例積分（ＰＩ）制御器１２２、第１乗算器１２３、第２乗算器１２７、交流電源同期正弦波生成部１２８、第３乗算器１２９、差分器１３０、比例（Ｐ）制御器１３２およびＰＷＭ制御部１３５を備えて構成される。
【０１９８】
図１８に示すインバータ回路２００の出力制御において、制御回路１０Ｂは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に維持し、交流電源１の力率が、力行動作時にはほぼ「１」になるように、また回生動作時にはほぼ「−１」になるように入力電流Ｉｉｎを制御する。
【０１９９】
図１８に示す制御回路１０Ｂによるインバータ回路２００の直流電圧Ｖｄｃの制御に関する構成は、前述の図２に示す制御回路１０Ａによるコンバータ回路１００の直流電圧Ｖｄｃの制御に関する構成と類似する。したがって、図２と同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。
【０２００】
制御回路１０Ｂは、比例制御器１３２で比例制御した出力を、電力変換装置２０００の発生電圧の目標値となる電圧指令値１３３とし、この電圧指令値１３３を用いて、ＰＷＭ制御部１３５によって、インバータ回路２００の半導体スイッチング素子である第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａに対するゲート信号１２を生成する。
【０２０１】
制御回路１０Ｂは、回生の場合には、入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が負の値となり、力率が「−１」となって交流電源１側へ電力を出力するように、インバータ回路２００の半導体スイッチング素子である第１〜第４インバータ用素子２０１ａ〜２０４ａを制御する。
【０２０２】
以上のように本発明の第３の実施の形態によれば、インバータ回路２００のような単相インバータを備えた電力変換装置２０００のＶｓｕｂ制御において、ピーク電流Ｉｐの逆数の値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消し、フィードバック制御において、第２の操作量である短絡位相目標値θ１＊が大きく変動することを防止することができる。これによって、制御の安定性を向上させることができる。
【０２０３】
また、本実施の形態では、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同様に、インバータ回路２００のような単相インバータを備えた電力変換装置２０００による平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの制御においても、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消することができる。これによって、フィードバック制御において、第２の操作量である入力電流ＲＭＳ目標値ＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止することができる。したがって、電流の変動による素子の発熱を防止し、操作量の急激な変動によるＥＭＣへの悪影響を抑制することができる。
【０２０４】
本実施の形態では、ピーク電流Ｉｐの逆数の値に相当する所定値１５４を求めて制御変動を抑制したが、式（６）および式（７）から、直流電圧源電流Ｉｓｕｂは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの逆数も乗算されて短絡位相θ１が得られている。
【０２０５】
つまり、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが低下したときに、その直流電圧Ｖｄｃの逆数の値が急増しないように、その直流電圧Ｖｄｃの逆数に相当する所定値１５４を用いて短絡位相θ１を演算することによって、制御の変動を抑制することができる。このように、ピーク電流Ｉｐの逆数だけでなく、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの逆数についても所定値を用いた場合においても、同様の効果が得られる。
【０２０６】
また、電力変換装置２０００としては、力行動作と回生動作とを行うものについて示したが、力行動作のみ、または回生動作のみを行うものであってもよい。また、力行動作のみを行う場合には、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子である第１および第３コンバータ素子３０１ａ、３０３ａは設けず、第１および第３ダイオード３０１ｂ、３０３ｂのみとしてもよい。また、電力変換装置２０００の入力にダイオードブリッジを設けない構成としているが、ダイオードブリッジを設けた構成であっても同様の効果を得ることができる。
【０２０７】
また、インバータ回路２００の構成は、本実施の形態で示した構成に限るものではなく、複数の半導体スイッチング素子と直流電圧源とで構成される単相インバータを１つ以上直列接続して構成されるものであってもよい。
【０２０８】
また、図２０で示した関数Ｆ（ｘ）１５３の値は、本実施の形態での例であり、これに限るものではない。
【０２０９】
＜第４の実施の形態＞
図２１は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の構成を示す図である。本実施の形態の電力変換装置３０００は、前述の図１に示す第１の実施の形態の電力変換装置１０００と構成が類似しているので、同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。
【０２１０】
図２１に示すように、本実施の形態の電力変換装置３０００は、交流電源１の交流電力を直流電力に変換して出力する主回路１１０Ｂと、制御回路１０Ｃとを備えて構成される。主回路１１０Ｂは、交流電源１からの入力である交流電圧を整流するダイオードブリッジ４と、限流回路を構成するリアクトル２と、ハーフブリッジ型のインバータ回路４００と、コンバータ回路５００と、出力電圧を平滑する平滑コンデンサ３とを備える。平滑コンデンサ３は、他のコンデンサに相当する。
【０２１１】
交流電源１は、電力変換装置３０００の第１の入力端子ｔ１と第２の入力端子ｔ２との間に接続される。第１の入力端子ｔ１および第２の入力端子ｔ２は、ダイオードブリッジ４に接続される。ダイオードブリッジ４の一方の出力端子は、リアクトル２に接続される。リアクトル２は、ハーフブリッジ型のインバータ回路４００に直列に接続される。
【０２１２】
インバータ回路４００は、ＭＯＳＦＥＴなどの２個の半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａと、直流コンデンサ４０３とによって構成されるハーフブリッジ型のインバータである。半導体スイッチング素子４０１ａがインバータ回路４００の正電位側の半導体スイッチング素子であり、半導体スイッチング素子４０２ａがインバータ回路４００の負電位側の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子４０１ａと半導体スイッチング素子４０２ａとは、直列に接続され、その接続点（交流側端子）がリアクトル２に接続されている。
【０２１３】
また、半導体スイッチング素子４０１ａのドレインと、半導体スイッチング素子４０２ａのソースには、それぞれ直流コンデンサ４０３の正極および負極が接続されている。半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード４０１ｂ，４０２ｂが逆並列に接続されている。以下の説明において、ダイオード４０１ｂ，４０２ｂを区別して示す場合には、第１ダイオード４０１ｂ、第２ダイオード４０２ｂという。第１ダイオード４０１ｂおよび第２ダイオード４０２ｂは、半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａにそれぞれ内蔵された構成であってもよい。また、半導体スイッチング素子４０１ａを省略して、第１ダイオード４０１ｂのみで構成してもよい。
【０２１４】
コンバータ回路５００は、ＭＯＳＦＥＴなどの２個の半導体スイッチング素子５０１ａ，５０２ａによって構成される。半導体スイッチング素子５０１ａは、インバータ回路４００の正電位側の半導体スイッチング素子４０１ａと平滑コンデンサ３の正極側の直流母線３ａとの間に接続されている。半導体スイッチング素子５０２ａは、インバータ回路４００の負電位側の半導体スイッチング素子４０２ａと平滑コンデンサ３の負極側の直流母線３ｂとの間に接続されている。平滑コンデンサ３の負極側の直流母線３ｂは、ダイオードブリッジ４の他方の出力端子に直接接続されている。
【０２１５】
半導体スイッチング素子５０１ａ，５０２ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード５０１ｂ，５０２ｂが逆並列に接続されている。以下の説明において、ダイオード５０１ｂ，５０２ｂを区別して示す場合には、第１ダイオード５０１ｂ、第２ダイオード５０２ｂという。第１ダイオード５０１ｂおよび第２ダイオード５０２ｂは、半導体スイッチング素子５０１ａ，５０２ａにそれぞれ内蔵された構成であってもよい。また、半導体スイッチング素子５０１ａを省略して、第１ダイオード５０１ｂのみで構成してもよい。
【０２１６】
半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａ，５０１ａ，５０２ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴなどを用いてもよく、その場合も、それぞれダイオード４０１ｂ，４０２ｂ，５０１ｂ，５０２ｂを逆並列に接続した構成とする。
【０２１７】
また、図示は省略するが、電力変換装置３０００は、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂを測定する電圧計、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを測定する電圧計、入力電圧Ｖｉｎである交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および入力電流Ｉｉｎである交流電源１からの交流電流Ｉｉｎを測定する電流計を備えている。直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂを測定する電圧計は、第１のセンサに相当し、入力電流Ｉｉｎである交流電流Ｉｉｎを測定する電流計は、第２のセンサに相当する。
【０２１８】
制御回路１０Ｃは、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂと、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと、電力変換装置４０００の入力端子ｔ１，ｔ２間に印加される交流の入力電圧Ｖｉｎと、交流電流Ｉｉｎとに基づいて、インバータ回路４００およびコンバータ回路４００の出力制御を行う。具体的には、制御回路１０Ｃは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊になるように、また、交流電源１からの交流電流Ｉｉｎの力率がほぼ「１」となるように、さらに直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂが一定の目標電圧（電圧指令値Ｖｓｕｂ＊）となるように、インバータ回路４００の半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａと、コンバータ回路５００の半導体スイッチング素子５０１ａ，５０２ａに与えるゲート信号１４、１５を生成して、インバータ回路４００およびコンバータ回路４００の出力制御を行う。
【０２１９】
さらに具体的には、制御回路１０Ｃは、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂが直流コンデンサ４０３の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従するように、半導体スイッチング素子５０２ａのオン・オフを制御すると共に、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊に追従し、交流電源１からの入力力率を調整し、入力力率が改善するように、半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａのオン・オフを制御する。
【０２２０】
平滑コンデンサ３には、不図示の負荷が接続されている。通常時には、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃは、目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低く、制御回路１０は、交流電源１からの交流電力を変換して平滑コンデンサ３に直流電力を供給するように、インバータ回路４００およびコンバータ回路５００の出力制御を行う。
【０２２１】
このように構成される電力変換装置３０００の動作、すなわち平滑コンデンサ３に直流電力を出力する動作について、図２２〜図２５を用いて説明する。
【０２２２】
図２２〜図２５は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の動作を説明するための主回路１１０Ｂの電流経路を示す図である。図２２〜図２５では、電流が流れる経路を太線で示している。図２６は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の各部の波形とインバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の充放電状態とを示す図である。図２６（ａ）は、交流電圧Ｖｉｎの電圧波形を示す。図２６（ｂ）は、半導体スイッチング素子５０２ａのオン・オフの状態を示す。図２６（ｃ）は、直流コンデンサ４０３の充放電の状態を示す。
【０２２３】
出力段の平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃは、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐより高く、図２６では、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊に制御されている状態を示す。
【０２２４】
このように制御回路１０Ｃは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの目標電圧Ｖｄｃ＊を、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂより常に高く設定している。このように設定することによって、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３から、平滑コンデンサ３への電力流出を防ぎ、電力変換装置の安定した制御を行うことができる。
【０２２５】
交流電源１から出力される交流電圧Ｖｉｎは、ダイオードブリッジ４で全波整流されるため、交流電源１の交流周期の２倍周期で動作する。インバータ回路４００は、交流電源１からの入力力率がほぼ「１」になるように、ＰＷＭ制御によって交流電流Ｉｉｎを制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源１から出力される交流電圧Ｖｉｎに重畳する。以下の説明では、交流電源１からの入力力率がほぼ「１」になるように交流電流Ｉｉｎを制御することを、単に「電流制御」という。
【０２２６】
交流電源１の電圧位相をθとし、まず、交流電圧Ｖｉｎが正極性である０≦θ＜πの場合について説明する。交流電圧Ｖｉｎが負極性であるπ≦θ＜２πの場合も、交流入力はダイオードブリッジ４で整流されるため、制御回路１０Ｃは、前述の０≦θ＜πの場合と同様の制御を実行する。
【０２２７】
半導体スイッチング素子４０２ａ，５０２ａがオン状態、半導体スイッチング素子４０１ａ，５０１ａがオフ状態の場合には、図２２に示すように、交流電流Ｉｉｎは、直流コンデンサ４０３をスルーするように流れる。
【０２２８】
また、半導体スイッチング素子４０１ａ，５０２ａがオン状態、半導体スイッチング素子４０２ａ，５０１ａがオフ状態の場合には、図２３に示すように、交流電流Ｉｉｎは、直流コンデンサ４０３を充電するように流れる。
【０２２９】
また、半導体スイッチング素子４０２ａ，５０１ａがオン状態、半導体スイッチング素子４０１ａ，５０２ａがオフ状態の場合には、図２４に示すように、交流電流Ｉｉｎは、直流コンデンサ４０３を放電するように流れる。
【０２３０】
また、半導体スイッチング素子４０１ａ，５０１ａがオン状態、半導体スイッチング素子４０２ａ，５０２ａがオフ状態の場合には、図２５に示すように、交流電流Ｉｉｎは、直流コンデンサ４０３をスルーするように流れる。
【０２３１】
制御回路１０Ｃは、このような４種の半導体スイッチング素子の制御の組み合わせによって、半導体スイッチング素子４０１ａ，４０２ａ，５０１ａ，５０２ａを制御して、インバータ回路４００をＰＷＭ制御する。これによって、直流コンデンサ４０３を充放電させ、電流制御を行う。
【０２３２】
半導体スイッチング素子４０１ａ，５０１ａに流れる電流が、ソースからドレインへ流れる場合は、その半導体スイッチング素子をオフして、逆並列接続されたダイオード４０１ｂ，５０１ｂに電流を流すように制御してもよい。
【０２３３】
図２６に示すように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相（θ＝０、π）を中央とした±θ１（以下、θ１を「短絡位相」と称する）の位相範囲（短絡期間）では、半導体スイッチング素子５０２ａをオン状態（オンに固定）、半導体スイッチング素子５０１ａをオフ状態（オフに固定）として、平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０２３４】
この場合、図２２に示すように、交流電源１からの交流電流Ｉｉｎは、リアクトル２で限流されてインバータ回路４００に入力され、半導体スイッチング素子５０２ａを通り、交流電源１に戻る。この場合、図２２の動作モードによって、リアクトル２が励磁されるが、図２３の動作モードによって、リアクトル２の励磁がリセットされる。
【０２３５】
また、図２２の動作モードの場合は、直流コンデンサ４０３をスルーし、図２３の動作モードの場合は、直流コンデンサ４０３が充電される。したがって、図２２の動作モードと図２３の動作モードとを組み合わせて、インバータ回路４００をＰＷＭ制御することによって、直流コンデンサ４０３を充電させ、かつ電流制御を行うことができる。
【０２３６】
次に、図２４に示すように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相を中央とした±θ１以外の位相範囲では、半導体スイッチング素子５０２ａをオフ状態、半導体スイッチング素子５０１ａをオン状態として、平滑コンデンサ３に直流電力を出力する。
【０２３７】
この場合、図２４に示すように、交流電源１からの交流電流Ｉｉｎは、リアクトル２で限流されてインバータ回路４００に入力され、半導体スイッチング素子５０１ａを通り、平滑コンデンサ３を充電して、交流電源１に戻る。
【０２３８】
この場合、インバータ回路４００は、電圧（Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ）を出力し、図２４の動作モードと図２５の動作モードとを繰り返す。これによって、交流電源１にインバータ回路４００の出力電圧（Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ）を加算して、交流電源１のピーク電圧より高い目標電圧Ｖｄｃ＊に達するように、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御する。
【０２３９】
インバータ回路４００では、図２４の動作モードによってリアクトル２が励磁され、図２５の動作モードによってリアクトル２の励磁がリセットされる。
【０２４０】
また、図２４の動作モードの場合、直流コンデンサ４０３が放電され、図２５の動作モードの場合、直流コンデンサ４０３をスルーする。したがって、図２４の動作モードと図２５の動作モードとを組み合わせて、インバータ回路４００をＰＷＭ制御することによって、電流制御を行うことができる。
【０２４１】
以上に説明したように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの電圧位相θのゼロクロス位相（θ＝０、π）±θ１の位相で、半導体スイッチング素子５０１ａと半導体スイッチング素子５０２ａとの制御を切り替え、このゼロクロス位相を中央とする±θ１の位相範囲でのみ、半導体スイッチング素子５０２ａをオン状態、半導体スイッチング素子５０１ａをオフ状態として、平滑コンデンサ３をバイパスさせる。
【０２４２】
この場合、制御回路１０Ｃは、インバータ回路４００が交流電圧Ｖｉｎの逆極性にほぼ等しい電圧を発生するように制御しつつ、入力力率がほぼ「１」になるように交流電流Ｉｉｎを制御して出力し、直流コンデンサ４０３を充電する。
【０２４３】
一方、このゼロクロス位相を中央とする±θ１以外の位相範囲では、制御回路１０Ｃは、半導体スイッチング素子５０１ａをオン状態、半導体スイッチング素子５０２ａをオフ状態として、インバータ回路４００が平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に維持するように制御しつつ、入力力率がほぼ「１」になるように交流電流Ｉｉｎを制御して出力する。
【０２４４】
この場合、インバータ回路４００は、平滑コンデンサ３の直流電圧と交流電源の差電圧（Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ）を発生し、直流コンデンサ４０３は放電される。
【０２４５】
半導体スイッチング素子５０２ａがオンとなる短絡期間は、ゼロクロス位相（θ＝０、π）が短絡期間の中央となるものとして説明したが、ゼロクロス位相を含む位相範囲で、いずれかに偏るように短絡期間を設定してもよい。
【０２４６】
また、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の充電と放電のエネルギーが等しくなるように半導体スイッチング素子５０２ａのオン期間を設定し、短絡位相θ１を決定することができる。
【０２４７】
すなわち、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の充電と放電のエネルギーが等しいとすると、以下の式（８）が成り立つ。ただし、Ｖｐは、入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧であり、Ｉｐは、入力電流Ｉｉｎのピーク電流である。
【０２４８】
【数８】
0005950970.tif 000009
【０２４９】
ここで、Ｖｉｎ＝Ｖｐ・ｓｉｎθ、Ｉｉｎ＝Ｉｐ・ｓｉｎθとすると、Ｖｄｃ＊は前述の式（２）で定義される。
【０２５０】
式（２）から、目標電圧Ｖｄｃ＊の下限値は、θ１が０となる場合に得られ、値は（π／４）Ｖｐとなる。ただし、回路の構成上、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃがピーク電圧Ｖｐ以下となると、短絡電流を生じるため、目標電圧Ｖｄｃ＊がピーク電圧Ｖｐ以下となるような短絡位相θ1を設定すると、高力率制御が不可能となる。
【０２５１】
このように、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊は、短絡位相θ１によって決まり、短絡位相θ１を変化させて制御できる。そして、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃは、目標電圧Ｖｄｃ＊に追従するように制御される。
【０２５２】
また、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂを、０≦θ＜θ１およびθ１≦θ＜π／２の各位相範囲におけるインバータ回路４００の所望の発生電圧の大きさ以上に設定する。
【０２５３】
この場合、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃが目標電圧Ｖｄｃ＊に維持することができ、また、入力力率がほぼ「１」になるように交流電流Ｉｉｎを制御するインバータ回路４００の電流制御を、交流電源１の全位相において、信頼性良く行うことができる。
【０２５４】
直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂは、前述の式（３）および式（４）を満たす必要がある。
【０２５５】
直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂは、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐ以下に設定する。
【０２５６】
ＰＷＭ制御を行うインバータ回路４００では、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂが大きくなると損失が増大するため、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂは、前述の式（３）および式（４）を満たした上で、できるだけ小さく設定することが望ましい。
【０２５７】
そして、ゼロクロス位相を中央として±θ１の短絡期間のみで、半導体スイッチング素子５０２ａをオン状態とし、平滑コンデンサ３をバイパスする期間とする。これによって、制御回路１０Ｃは、インバータ回路４００を制御し、半導体スイッチング素子５０２ａがオンの期間でも、オフの期間でも入力力率がほぼ「１」になるように、交流電流Ｉｉｎを制御し、かつ平滑コンデンサ３に所望の電圧の直流電力を出力することができる。
【０２５８】
すなわち、制御回路１０Ｃは、交流電源１の交流電圧の所定の位相範囲で、短絡位相θ１を決定し、半導体スイッチング素子５０２ａがオンとなる短絡期間を調整し、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂを所定の電圧に調整することができる。このような制御を行うことによって、直流コンデンサ４０３に外部電源を用いずに、自立動作が可能となる。
【０２５９】
また、交流電流Ｉｉｎが入力力率１に制御されている前提のもと、位相範囲０≦θ＜θ１およびθ１≦θ＜π／２の直流電圧Ｖｓｕｂのリプルを定式化し、位相範囲０〜π／２での直流電圧Ｖｓｕｂの変化量をΔＶｓｕｂとしたとき、位相範囲０〜π／２の間で直流電圧ＶｓｕｂをΔＶｓｕｂ変化させるための直流コンデンサ４０３の電流をＩｓｕｂとすると、短絡位相θ１は、前述の式（６）のように表すことができる。
【０２６０】
所定の入力電圧Ｖｉｎ、直流電圧Ｖｄｃ、直流電圧Ｖｓｕｂ、入力電流Ｉｉｎで動作している場合、式（６）によって求められる短絡位相θ１を操作することによって、電流Ｉｓｕｂを制御することができ、すなわち短絡位相θ１を操作することによって、直流電圧Ｖｓｕｂを制御することが可能である。
【０２６１】
半導体スイッチング素子４０１ａと半導体スイッチング素子４０２ａとは、相補的に動作させる。すなわち、半導体スイッチング素子４０２ａがオン状態の場合には、半導体スイッチング素子４０１ａはオフ状態とし、半導体スイッチング素子４０２ａがオフ状態の場合には、半導体スイッチング素子４０１ａはオン状態とする。ただし、半導体スイッチング素子４０１ａは、常にソースからドレインに電流が流れるため、半導体スイッチング素子４０１ａをオフして、逆並列接続されたダイオード４０１ｂに電流を流すように制御してもよい。
【０２６２】
次に、コンバータ回路５００およびインバータ回路４００の制御の詳細について、図２７および図２８に基づいて説明する。図２７および図２８は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置３０００の制御回路１０Ｃの構成を示すブロック図である。さらに具体的には、図２７は、制御回路１０Ｃによるコンバータ回路５００の出力制御に関係する部分の構成を示すブロック図であり、図２８は、制御回路１０Ｃによるインバータ回路４００の出力制御に関係する部分の構成を示すブロック図である。
【０２６３】
コンバータ回路５００の出力制御を行う場合の制御回路１０Ｃは、差分器１５０、比例積分（ＰＩ）制御器１５１、乗算器１５２、短絡位相演算器１５６、三角波生成部１５９およびＰＷＭ制御部１６１を備えて構成される。
【０２６４】
図２７に示すコンバータ回路５００の出力制御において、制御回路１０Ｃは、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御を行う。
【０２６５】
図２７に示す制御回路１０Ｃのうち、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するためのコンバータ回路５００の出力制御に関する構成は、前述の図１７に示す制御回路１０Ｂのうち、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するためのコンバータ回路３００の出力制御に関する構成と類似する。したがって、図１７と同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。また、短絡位相θ１を求める式は、第３の実施の形態の力行動作での式（６）と同じであるため、第３の実施の形態と同様にして、Ｉｐ（＝√２×ＩｉｎＲＭＳ）の逆数に相当する所定値１５４を求め、短絡位相目標値θ１＊を得る。
【０２６６】
制御回路１０Ｃは、短絡位相演算器１５６によって生成された短絡位相目標値θ１＊をＰＷＭ制御部１６１に与えて、コンバータ回路５００の半導体スイッチング素子５０１ａ、５０２ａに対するゲート信号１５を生成する。
【０２６７】
このＰＷＭ制御部１６１では、三角波生成部１５９において生成された交流電源１の周波数の２倍の周期に同期した三角波（交流電源周期三角波）をキャリア波として用いて比較演算し、交流電源１の電圧Ｖｉｎがゼロクロスする位相をほぼ中央として動作するゲート信号１５を生成する。ゲート信号１５は交流電源１の周波数の２倍の低周波スイッチング信号となる。
【０２６８】
インバータ回路４００の出力制御を行う場合の制御回路１０Ｃは、減算器１２０、比例積分（ＰＩ）制御器１２２、第１乗算器１２３、第２乗算器１２７、交流電源同期正弦波生成部１２８、第３乗算器１２９、差分器１３０、比例（Ｐ）制御器１３２およびＰＷＭ制御部１３６を備えて構成される。
【０２６９】
図２８に示すインバータ回路４００の出力制御において、制御回路１０Ｃは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に維持し、また交流電源１の力率がほぼ「１」になるように、入力電流Ｉｉｎを制御する。
【０２７０】
図２８に示す制御回路１０Ｃのうち、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するためのインバータ回路２００の出力制御に関する構成は、前述の図２に示す制御回路１０Ａのうち、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するためのコンバータ回路１００の出力制御に関する構成、および前述の図１８に示す制御回路１０Ｂのうち、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するためのインバータ回路２００の出力制御に関する構成と類似する。したがって、図２および図１８と同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。
【０２７１】
制御回路１０Ｃは、比例制御器１３２で比例制御した出力を電力変換装置３０００の発生電圧の目標値となる電圧指令値１３３とし、この電圧指令値１３３を用いて、ＰＷＭ制御部１３６により半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａに対するゲート信号１４を生成する。
【０２７２】
以上に説明した第４の実施の形態では、インバータ回路４００のようなハーフブリッジ型のインバータを備えた電力変換装置３０００のＶｓｕｂ制御において、Ｉｐの逆数の値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消し、フィードバック制御において第２の操作量である短絡位相目標値θ１＊が大きく変動することを防止する。これによって、制御の安定性を向上させることができる。
【０２７３】
また、第１〜第３の実施の形態と同様に、インバータ回路４００のようなハーフブリッジ型のインバータを備えた電力変換装置３０００による平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃの制御においても、入力電圧実効値ＶｉｎＲＭＳの逆数の値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消し、フィードバック制御において第２の操作量であるＩｉｎＲＭＳ＊が大きく変動することを防止することができる。これによって、電流の変動による素子発熱を防止し、急激な操作量変動によるＥＭＣへの悪影響を抑制することができる。
【０２７４】
本実施の形態では、電力変換装置３０００は力行動作を行うものについて示したが、回生動作を行う構成であっても同様の効果を得ることができる。回生動作を行う場合は、電力変換装置３０００はダイオードブリッジ４を備えず、直流母線３ａおよび３ｂの間にインバータ回路４００およびコンバータ回路５００をもう一組並列に備え、各インバータ回路の交流端子にリアクトル２を直列に挿入した交流母線を接続する構成となる。
【０２７５】
＜第５の実施の形態＞
図２９は、本発明の第５の実施の形態における電力変換装置４０００の構成を示す図である。図２９に示すように、電力変換装置４０００は、直流入力を受けて直流電力を出力する主回路１１０Ｃと、制御回路１０Ｄとを備えている。主回路１１０Ｃは、平滑コンデンサ５と、フルブリッジインバータを構成するＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子６０１ａ〜６０４ａと、半導体スイッチング素子６０１ａ〜６０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間に逆並列に接続されたダイオード６０１ｂ〜６０４ｂと、絶縁トランス７と、ダイオードブリッジ８と、限流回路を構成するリアクトル９とを備えている。
【０２７６】
入力端子ｔ１と入力端子ｔ２の間には、平滑コンデンサ５と、直列に接続された半導体スイッチング素子６０１ａと６０２ａと、同じく直列に接続された半導体スイッチング素子６０３ａと６０４ａとが接続される。半導体スイッチング素子６０１ａと６０２ａの接続点、および半導体スイッチング素子６０３ａと６０４ａの接続点は、それぞれ絶縁トランス７の１次側に接続される。絶縁トランス７の２次側はダイオードブリッジ８に接続され、ダイオードブリッジ７の一方の出力端子はリアクトル９に接続され、リアクトル９は出力端子ｔ５に接続される。また、ダイオードブリッジ８の他方の出力端子は、出力端子ｔ６に接続される。
【０２７７】
半導体スイッチング素子６０１ａ，６０２ａ，６０３ａ，６０４ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴなどを用いてもよく、その場合も、それぞれダイオードを逆並列に接続した構成とする。
【０２７８】
また、リアクトル９は、ダイオードブリッジ８と出力端子ｔ６の間に直列接続されてもよい。また、半導体スイッチング素子６０１ａ，６０２ａ，６０３ａ，６０４ａに代えて、機械式スイッチを用いてもよい。
【０２７９】
また、図示は省略するが、電力変換装置４０００は、平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２を測定する電圧計、出力端子ｔ５と出力端子ｔ６との間の出力電圧Ｖｏｕｔを測定する電圧計、および出力電流Ｉｏｕｔを測定する電流計を備えている。平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２を測定する電圧計は、第１のセンサに相当し、出力端子ｔ５と出力端子ｔ６との間の出力電圧Ｖｏｕｔを測定する電圧計は、第２のセンサに相当する。
【０２８０】
制御回路１０Ｄは、平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２と、出力電圧Ｖｏｕｔと、出力電流Ｉｏｕｔとに基づいて、平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２が一定の目標電圧Ｖｄｃ２＊になるように、半導体スイッチング素子６０１ａ，６０２ａ，６０３ａ，６０４ａに与えるゲート信号１６を生成して出力制御を行う。
【０２８１】
入力端子ｔ３と入力端子ｔ４との間には、図示しない別の電力変換装置などが接続される。また出力端子ｔ５と出力端子ｔ６との間には図示しない負荷が接続される。
【０２８２】
このように構成される電力変換装置４０００の動作について、図３０を用いて説明する。図３０は、本発明の第５の実施の形態における電力変換装置４０００の各部の波形を示す図である。図３０（ａ）は、半導体スイッチング素子６０１ａと半導体スイッチング素子６０４ａのオン・オフ状態を示す。図３０（ｂ）は、半導体スイッチング素子６０２ａと半導体スイッチング素子６０３ａのオン・オフ状態を示す。図３０（ｃ）は、絶縁トランス７の２次側端子間電圧を示す。
【０２８３】
図３０に示すように、電力変換装置４０００では、半導体スイッチング素子６０１ａと半導体スイッチング素子６０４ａとがオンとなったとき、また半導体スイッチング素子６０２ａと半導体スイッチング素子６０３ａとがオンとなったときに、絶縁トランス７の２次側端子間に電圧を生じ、平滑コンデンサ５の電力が絶縁トランス７の２次側へ出力される動作となる。
【０２８４】
電力変換装置４０００の出力制御について、絶縁トランス７の２次側へ電圧を生じたときにリアクトル９が励磁され、それ以外の期間においてリアクトル９の励磁がリセットされる。これによって、リアクトル９の励磁期間、すなわち半導体スイッチング素子のオン期間を調整するようにＰＷＭ制御することによって、出力電流Ｉｏｕｔを制御することができる。
【０２８５】
次に、電力変換装置４０００の制御の詳細について図３１に基づいて説明する。図３１は、本発明の第５の実施の形態における電力変換装置４０００の制御回路１０Ｄの構成を示すブロック図である。制御回路１０Ｄは、減算器１７０、第１乗算器１７２、第１比例積分（ＰＩ）制御器１７４、第２乗算器１７５、第３乗算器１７９、差分器１８０、第２ＰＩ制御器１８２およびＰＷＭ制御部１８４を備えて構成される。
【０２８６】
制御回路１０Ｄは、平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２を目標電圧Ｖｄｃ２＊に維持し、また、出力電流Ｉｏｕｔを制御する。
【０２８７】
制御回路１０Ｄにおいて、減算器１７０は、平滑コンデンサ５の目標電圧Ｖｄｃ２＊と直流電圧Ｖｄｃ２との差分を取り、得られた値を差分電圧１７１の値として出力する。減算器１７０から出力された差分電圧１７１の値は、第１乗算器１７２に与えられる。
【０２８８】
第１乗算器１７２は、減算器１７０から与えられる差分電圧１７１の値と「−１」とを乗じて極性を反転させた値１７３を生成する。第１乗算器１７２によって生成された値１７３は、フィードバック量として、第１ＰＩ制御器１７４に与えられる。
【０２８９】
第１ＰＩ制御器１７４は、第１乗算器１７２から与えられた値について比例積分（ＰＩ）制御を行う。第１ＰＩ制御器１７４は、ＰＩ制御によって得られた値を、平滑コンデンサ５から出力する方向の電流目標値Ｉｄｃ２＊として出力する。出力された電流目標値Ｉｄｃ２＊は、第１の操作量となる。ここで、入力端子ｔ３，ｔ４からの電力供給分については、電力変換装置４０００による平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２の制御に対する外乱と捉え、第１ＰＩ制御器１７４の積分制御によって補償する。
【０２９０】
半導体スイッチング素子６０１ａ〜６０４ａのスイッチング制御によって制御されるのは、出力電流Ｉｏｕｔである。そこで、電流目標値Ｉｄｃ２＊を実際の制御での操作量となる出力電流目標値Ｉｏｕｔ＊に変換する。
【０２９１】
理論的には、所定の電力における入出力の電流比から求められる変換乗数（Ｖｄｃ２／Ｖｏｕｔ）を電流目標値Ｉｄｃ２＊に乗算することによって、第２の操作量として、出力電流目標値Ｉｏｕｔ＊を求めることができる。
【０２９２】
制御回路１０Ｄにおいて、第２乗算器１７５は、第１ＰＩ制御器１７４から出力された電流目標値Ｉｄｃ２＊と、平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃ２とを乗算し、乗算した値を、出力値１７６として出力する。出力値１７６は、第３乗算器１７９に与えられる。
【０２９３】
第３乗算器１７９は、第２乗算器１７５から与えられる出力値１７６と、出力電圧Ｖｏｕｔの逆数に相当する所定値１７８とを乗算することによって、出力電流目標値Ｉｏｕｔ＊を生成する。第３乗算器１７９によって生成された出力電流目標値Ｉｏｕｔ＊は、差分器１８０に与えられる。
【０２９４】
ここで、所定値１７８は、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて演算する関数Ｆ（ｘ）１７７の出力である。この所定値１７８を用いた演算は、電力変換装置４０００において特徴的な方法であり、その演算について以下に説明する。
【０２９５】
関数Ｆ（ｘ）１７７によって求められる値は、前述のように、出力電圧Ｖｏｕｔの逆数に相当する値である。しかし、出力電圧Ｖｏｕｔが比較的小さい値である場合には、第２の操作量である出力電流Ｉｏｕｔが大きく変動することを防止するために、関数Ｆ（Ｘ）１７７によって求められる値は、出力電圧Ｖｏｕｔの逆数を接線近似した値とする。
【０２９６】
出力電圧Ｖｏｕｔの逆数である１／Ｖｏｕｔとその接線近似から決定した関数Ｆ（ｘ）１７７を、前述の第１の実施の形態で示した図４において参照符号「１２５Ａ」で示す。関数Ｆ（ｘ）１７７（１２５Ａ）では、ｘが２００以下である（ｘ≦２００）場合は、ｘの逆数１／ｘの接線近似を用い、ｘが２００を超える（ｘ＞２００）場合は、ｘの逆数１／ｘを用いる。ｘが２００である（ｘ＝２００）点は、ｘの逆数１／ｘとその接線近似との交点である。制御回路１０Ｄは、このような関数Ｆ（ｘ）１７７（１２５Ａ）の入力を出力電圧Ｖｏｕｔとして、換言すればｘを出力電圧Ｖｏｕｔと置いて、所定値１７８を求める。
【０２９７】
図３１に戻って、差分器１８０は、第３乗算器１７９から与えられる出力電流目標値Ｉｏｕｔ＊と、出力電流Ｉｏｕｔとの差分を取り、得られた値を差分電流１８１の値として出力する。差分器１８０から出力された差分電流１８１の値は、フィードバック量として、第２ＰＩ制御器１８２に与えられる。
【０２９８】
第２ＰＩ制御器１８２は、差分器１８０から与えられた差分電流１８１の値について比例積分（ＰＩ）制御を行う。第２ＰＩ制御器１８２は、ＰＩ制御を行うことによって得られた値を、電力変換装置４０００の発生電圧の目標値となる電圧指令値１８３として出力する。第２ＰＩ制御器１８２から出力された電圧指令値１８３は、ＰＷＭ制御部１８４に与えられる。
【０２９９】
ＰＷＭ制御部１８４は、第２ＰＩ制御器１８２から与えられる電圧指令値１８３を用いて、図２９に示す半導体スイッチング素子６０１ａ〜６０４ａに対するゲート信号１６を生成する。ＰＷＭ制御部１８４によって生成されたゲート信号１６は、半導体スイッチング素子６０１ａ〜６０４ａに与えられる。
【０３００】
以上に説明した第５の実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータである電力変換装置４０００の出力電流Ｉｏｕｔの制御において、出力電圧Ｖｏｕｔの逆数の値が急激に大きくなるという反比例の特性を解消し、フィードバック制御において第２の操作量である出力電流目標値Ｉｏｕｔ＊が大きく変動することを防止する。これによって、電流の変動による素子の発熱を防止し、急激な操作量の変動によるＥＭＣへの悪影響を抑制することができる。
【０３０１】
本実施の形態では、半導体スイッチング素子６０１ａ〜６０４ａで構成されるフルブリッジインバータの制御について、半導体スイッチング素子６０１ａと半導体スイッチング素子６０４ａ、および半導体スイッチング素子６０２ａと半導体スイッチング素子６０３ａを交互にオン・オフするハードスイッチング方式を示したが、位相シフト制御によるソフトスイッチング方式でスイッチング制御されるものであってもよい。
【０３０２】
また、電力変換装置４０００の主回路１１０Ｃとして、絶縁型のフルブリッジインバータによって構成される場合について説明したが、他のＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成であってもよく、非絶縁であってもよい。入力端子間の電圧を制御するために、出力電流を操作するというように、制御目標と操作量とが、電力変換装置の入力と出力とに分かれているものであれば、同様の制御を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【０３０３】
また、前述の実施の形態では、電力変換装置４０００が力行動作を行う場合の構成について説明したが、回生動作を行う構成であっても、力行動作を行う場合と同様の効果を得ることができる。回生動作を行う場合は、電力変換装置４０００のダイオードブリッジ７を構成するダイオードを、半導体スイッチング素子に置き換えた構成となる。
【０３０４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることが可能である。また、各実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。
【符号の説明】
【０３０５】
１  交流電源、２，９  リアクトル、３，５  平滑コンデンサ、４，８  ダイオードブリッジ、７  絶縁トランス、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ  制御回路、１００，２００，４００  コンバータ回路、１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ，２０１ａ，２０２ａ，２０３ａ，２０４ａ，３０１ａ，３０２ａ，３０３ａ，３０４ａ，４０１ａ，４０２ａ，５０１ａ，５０２ａ，６０１ａ，６０２ａ，６０３ａ，６０４ａ  半導体スイッチング素子、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ  主回路、１２０，１７０  減算器、１２２  比例積分（ＰＩ）制御器、１２３，１７２  第１乗算器、１２７，１７５  第２乗算器、１２８  交流電源同期正弦波生成部、１２９，１７９  第３乗算器、１３０，１５０，１８０  差分器、１３２，１５１  比例（Ｐ）制御器、１３４，１３６，１６０，１６１，１８４  ＰＷＭ制御部、１５２  乗算器、１５６  短絡位相演算器、１５７  力行・回生選択器、１５９  三角波生成部、１７４  第１比例積分（ＰＩ）制御器、１８２  第２比例積分（ＰＩ）制御器、３００，５００  コンバータ回路、１０００，２０００，３０００，４０００  電力変換装置。
【図１】
0005950970.tif 000010
【図２】
0005950970.tif 000011
【図３】
0005950970.tif 000012
【図４】
0005950970.tif 000013
【図５】
0005950970.tif 000014
【図６】
0005950970.tif 000015
【図７】
0005950970.tif 000016
【図８】
0005950970.tif 000017
【図９】
0005950970.tif 000018
【図１０】
0005950970.tif 000019
【図１１】
0005950970.tif 000020
【図１２】
0005950970.tif 000021
【図１３】
0005950970.tif 000022
【図１４】
0005950970.tif 000023
【図１５】
0005950970.tif 000024
【図１６】
0005950970.tif 000025
【図１７】
0005950970.tif 000026
【図１８】
0005950970.tif 000027
【図１９】
0005950970.tif 000028
【図２０】
0005950970.tif 000029
【図２１】
0005950970.tif 000030
【図２２】
0005950970.tif 000031
【図２３】
0005950970.tif 000032
【図２４】
0005950970.tif 000033
【図２５】
0005950970.tif 000034
【図２６】
0005950970.tif 000035
【図２７】
0005950970.tif 000036
【図２８】
0005950970.tif 000037
【図２９】
0005950970.tif 000038
【図３０】
0005950970.tif 000039
【図３１】
0005950970.tif 000040
【図３２】
0005950970.tif 000041
【図３３】
0005950970.tif 000042
【図３４】
0005950970.tif 000043