(57)【要約】【課題】出力電圧の制御範囲を改善するとともに、歪の少ない良好な出力電圧を得られるようにする。【解決手段】ＵとＸの直列アーム，ＶとＹの直列アーム，ＷとＺの直列アームおよびコンデンサ３とを互いに並列接続し、入力側のＵとＸの直列アームと出力側のＷとＺの直列アームをＰＷＭ制御し、ＷとＺの直列アームをＵとＸの直列アームより低い電圧に制御することにより降圧動作、その逆の関係にして昇圧動作のいずれをも可能にし、出力電圧の制御範囲を広げ、歪を低減させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードがそれぞれ逆並列接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列接続した第１の直列回路と、ダイオードがそれぞれ逆並列接続された第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とを直列接続した第２の直列回路と、ダイオードがそれぞれ逆並列接続された第５のスイッチング素子と第６のスイッチング素子とを直列接続した第３の直列回路と、コンデンサとを互いに並列に接続し、前記第１の直列回路の中間の直列接続点は入力端子の一端に接続し、前記第２の直列回路の中間の直列接続点は第１のリアクトルを介して入力端子の他端に接続し、前記第３の直列回路の中間の直列接続点は第２のリアクトルを介して出力端子の一端に接続し、前記入力端子の他端を出力端子の他端に接続し、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路とからなるフルブリッジ回路にて入力端子に並列に接続される並列コンバータを構成し、前記第１の直列回路と前記第３の直列回路とからなるフルブリッジ回路にて入力と出力との間に直列に接続される直列コンバータを構成し、前記第１と第５の各スイッチング素子は入力電圧の周波数よりも高い周波数でオン・オフ制御し、前記第２と第６の各スイッチング素子はそれぞれ第１と第５の各スイッチング素子とは逆の論理でオン・オフ制御する制御手段を設け、前記第３の直列回路から出力される電圧と前記第１の直列回路から出力される電圧との差分の電圧は入力電圧に重畳させ出力端子を経て出力させることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、定電圧・定周波数電源装置や電力補償装置などに用いられる、スイッチング方式の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電源は、無駄に消費される電力の抑制や、発生する熱の処理の問題から、装置効率を向上させる種々の取り組みがなされてきた。その１つとして、この種の電源に通常用いられるＩＧＢＴなどの電力用半導体スイッチング素子のスイッチング損（この種のスイッチング素子が理想的なスイッチではないことによる、オン・オフのタイミングで発生する損失）を低減させるために、スイッチング回数をなるべく低減させている例が多く見られる。
また、この種の電源の定電圧電源では、一定の出力電圧を出力することが要求されており、電力補償装置では出力電圧を制御することが要求される。そのため、この種の電源は、入力の電圧を変えて出力端子に出力する機能を持つことが要求される。
【０００３】
図３は、例えば特許文献１に記載されているこの種の電源例を説明する説明図である。
図３（ａ）に示すものは、ＶとＹの直列アームを入力電圧Ｖｉｎの逆相に同期したパルスで駆動することにより、電源周波数よりも十分高い周波数でスイッチングを行なうＰＷＭ（パルス幅変調）コンバータと比較してスイッチング回数を減少させ、高効率で変換できるようにしているものである。
【０００４】
この場合でも、ＷとＺの直列アームを図３（ｂ）のように、電源周波数よりも十分高い周波数でスイッチングするＰＷＭコンバータとして動作させ、ＶとＹの直列アームおよびＷとＺの直列アームで構成されるフルブリッジコンバータをインバータ動作させることにより、出力に正弦波状の出力を得ることができる。なお、図３（ｂ）で、ＷとＺの直列アームのパルスは一定間隔で表示しているが、これは模式的に示すもので、実際はＰＷＭ変調される信号波に応じてこれらのパルス幅は増減する。このとき、出力電圧の元になる直流電圧は、入力側のＵとＸの直列アームおよびＶとＹの直列アームの組によるフルブリッジコンバータにより整流して得られるため、直流電圧は入力電圧のピーク値以上にはならない。
【０００５】
そのため、この形式の変換器の場合には、出力電圧を入力電圧より降下させる降圧動作、または入力電圧と出力電圧を同等とする動作のみに限定される。つまり、出力電圧を入力電圧よりも上昇させる昇圧動作は、この変換器では不可能であるという制限を有する。なお、入力側がダイオードブリッジとして動作するのは、図３（ｂ）に示すＶとＹの直列アームのパルスパターンでは、Ｖ，Ｙ素子に点弧信号が来るタイミングでダイオードが点弧するためである。そのため、図４（ａ）に示すような回路でも、結果として同じように動作させることができる。出力波形Ｖｏｕｔも、図３と図４で同様になっている。
【０００６】
図５は、例えば特許文献２に記載されているこの種の電源の別の例を説明するための説明図である。
図５（ａ）に示す回路では、入力電圧が出力すべき電圧に比較的近い場合には、図５（ｂ）のような電源に同期したパルスでＵとＸの直列アームおよびＷとＺの直列アームを動作させるが、入力電圧が低下した場合は、図５（ｃ）のようなパルスパターンと電圧指令パターンとで動作させるようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特許第２５２１３４５号公報（第３−４頁、図１）
【特許文献２】特許第３１８５８４６号公報（第５−８頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図５の方式では入力電圧が上昇した場合に対応ができないという制約がある。さらに、上記の例で使用した瞬時電圧指令は理想的なものであったが、実際に使用されるＩＧＢＴなどは、瞬時にスイッチングすることはできないため、上アーム素子がオフしてから、下アーム素子がオンするまでの間に図６に示すような、上下アーム素子の両方がオフするデッドタイムと呼ばれる区間を設ける必要があり、このデッドタイムとして必要な時間の値は、使用するデバイスに依存している。このため、デッドタイムより狭い（細い）パルスを出すことは不可能であり、電圧指令の振幅値によっては、デッドタイムの存在によりパルス幅が理想的な値からずれてしまうことがあり、この制約は瞬時電圧指令の限界値（λｍａｘ）として現われる。
【０００９】
上記λｍａｘを、例えば図５（ｃ）の場合に適用すると、図７のようになり、Ｕ相の電圧指令λＵが歪んでしまうため、出力電圧Ｖｏｕｔも図示のように歪むことになる。
したがって、この発明の課題は、出力電圧の制御範囲を改善するとともに、歪の少ない良好な出力電圧を得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、入力端子に接続されたＵとＸの直列アームと、出力端子に接続されたＷとＺの直列アームをＰＷＭ制御することにより、ＵとＸの直列アームおよびＷとＺの直列アームどちらも装置が出力可能な範囲内で自由に電圧が出力できるようにし、ＷとＺの直列アームをＵとＸの直列アームよりも低い電圧にして降圧動作、逆にして昇圧動作をさせるようにする。装置の電圧範囲内であれば、自由に電圧を発生できるので、歪も低減する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、装置の電圧範囲内であれば自由に電圧を発生できるので、出力電圧の制限が少なく、歪も少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
すなわち、ＵアームはＩＧＢＴ１とダイオード２との逆並列回路からなる。Ｘアームも同様である。ＵとＸの直列アームはＵアームとＸアームの直列回路から構成される。ＶとＹの直列アーム、ＷとＺの直列アームも同様の構成になっている。これら３つの直列回路３には、コンデンサ３が並列に接続されている。ＵとＸの直列アームの中間点は入力端子に接続され、ＷとＺの直列アームの中間点はリアクトル４を介して出力端子に接続されている。ＶとＹの直列アームの中間点は、リアクトル５を介して入力端子のもう一方の端子に接続され、この端子は出力端子のもう一方の端子に接続されている。
【００１３】
図１の回路は、入力電圧に並列に接続された並列コンバータと、入出力間に直列に接続された直列コンバータとで組み合わされた直並列コンバータとして捉えることができる。ＵとＸの直列アームおよびＶとＹの直列アームを組み合わせたフルブリッジコンバータ構成の並列コンバータにより、コンデンサ３の直流電圧を必要とされる値になるように制御する。このときのパルスパターン例を、図２（ａ）にＵ，ＸとＶ，Ｙとして示す。
【００１４】
一方、ＵとＸの直列アームおよびＷとＺの直列アームを組み合わせたフルブリッジコンバータ構成の直列コンバータは、Ｕ，ＸおよびＷ，ＺともにＰＷＭ変調とすることにより、装置の範囲内で自由に電圧を出力することができる。このときのパルスパターン例を、図２（ａ）にＵ，ＸとＷ，Ｚとして示す。
ＵとＸの直列アームよりもＷとＺの直列アームの電圧を低くすれば降圧動作させることができ（この場合の瞬時電圧指令を図２（ｂ）に示す）、ＵとＸの直列アームよりもＷとＺの直列アームの電圧を高くすれば昇圧動作させることができる（この場合の瞬時電圧指令を図２（ｃ）に示す）。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の原理構成を示す回路図
【図２】図１の動作説明図
【図３】第１の従来例を説明する説明図
【図４】図３の変形例の説明図
【図５】第２の従来例を説明する説明図
【図６】デッドタイムの説明図
【図７】図５で解決すべき課題を説明するための説明図
【符号の説明】
【００１６】
１…ＩＧＢＴ、２…ダイオード、３…コンデンサ、４，５…リアクトル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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