(57)【要約】【課題】スイッチング損失を低減しつつ、電圧制御の制御性を向上させる電力変換装置を提供することである。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、変換器と、制御部とを持つ。変換器は、電流を少なくとも一方向に遮断可能な複数の素子が直列に接続され、前記直列に接続された複数の素子のうち、少なくとも１つの素子は半導体スイッチング素子を含む、少なくとも２つのアームと、前記少なくとも２つのアームと直流電圧源とを並列に接続する。複数の変換器は、互いに直列に接続される。制御部は、電流指令値に基づいて設定される複数の閾値と、前記複数の変換器からの出力電流とを比較し、比較した結果に基づいて、前記複数の変換器のうち、電力を出力させる変換器を決定するとともに、前記複数の変換器からの出力電流と、前記複数の変換器から得られるそれぞれの電圧とに基づいて、前記複数の変換器からの出力電圧を制御する。【選択図】図１
2018007490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を少なくとも一方向に遮断可能な複数の素子が直列に接続され、前記直列に接続された複数の素子のうち、少なくとも１つの素子は半導体スイッチング素子を含む、少なくとも２つのアームと、前記少なくとも２つのアームと直流電圧源とを並列に接続した複数の変換器であって、互いに直列に接続された複数の変換器と、
電流指令値に基づいて設定される複数の閾値と、前記複数の変換器からの出力電流とを比較し、比較した結果に基づいて、前記複数の変換器のうち、電力を出力させる変換器を決定するとともに、前記複数の変換器からの出力電流と、前記複数の変換器から得られるそれぞれの電圧とに基づいて、前記複数の変換器からの出力電圧を制御する制御部と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記複数の閾値として、前記電流指令値よりも値の大きい上側閾値と、前記電流指令値よりも小さい値である下側閾値とが設定され、前記上側閾値および前記下側閾値のそれぞれの数は、前記変換器の数と同数以上である、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記複数の変換器からの出力電流が、複数の前記上側閾値のうち少なくとも１つを上回る場合には、前記電力を出力させる変換器の数を減少させ、前記複数の変換器からの出力電流が複数の前記下側閾値のうち少なくとも１つを下回る場合には、前記電力を出力させる変換器の数を増加させる、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、複数の前記上側閾値のうち前記出力電流を下回る上側閾値の数に対応させて、前記電力を出力させる変換器の数を減少させ、複数の前記下側閾値のうち前記出力電流を上回る下側閾値の数に対応させて、前記電力を出力させる変換器の数を増加させる、
請求項２または３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記直列に接続された少なくとも２つの変換器から、前記電力を出力させる変換器を決定する場合に、前記出力電圧の高い順に前記変換器を決定し、前記電力を出力させない変換器を決定する場合に、前記出力電圧の低い順に前記変換器を決定する、
請求項１から４のうち、いずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記直列に接続された少なくとも２つの変換器のうち、少なくとも１つの変換器の出力電圧が変化したタイミングで、前記電力を出力させる変換器を決定する、
請求項１から５のうち、いずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記変換器は、少なくとも１つの半導体スイッチング素子と、少なくとも１つのダイオードとを直列に接続した第１のアーム、および前記第１のアームと逆の順序で前記半導体スイッチング素子と前記ダイオードとを直列に接続した第２のアームと、並列に接続される前記直流電圧源とを並列に接続させる、
請求項１から６のうち、いずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記変換器は、前記２つのアームの前記半導体スイッチング素子を導通させることで、前記変換器から正の電圧を出力し、前記２つのアームのうち、いずれかのアームの前記半導体スイッチング素子を導通させることで、前記変換器から零電圧を出力し、前記２つのアームの前記半導体スイッチング素子を非導通とすることで、前記変換器から負の電圧を出力する、
請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記変換器は、少なくとも２つの半導体スイッチング素子を直列に接続した２つのアームと、前記直流電圧源とを並列に接続させる、
請求項１から８のうち、いずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置には、対象機器に電力を供給する場合に、出力電流を制御するための半導体スイッチング素子等が用いられる場合がある。しかしながら、従来の技術では、半導体スイッチング素子による出力のオン／オフ制御を行う際のスイッチング損失の問題がある。このスイッチング損失は、高電圧、大電流、高周波となるのに従って増大するため、大電流を供給する際の高速スイッチングが困難であった。また、スイッチング周波数を低くすると装置内のリアクトルのインダクタンスを大きくする必要があり、制御性が低下する場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２３３２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、スイッチング損失を低減しつつ、電圧制御の制御性を向上させ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】
【０００５】
実施形態の電力変換装置は、変換器と、制御部とを持つ。変換器は、電流を少なくとも一方向に遮断可能な複数の素子が直列に接続され、前記直列に接続された複数の素子のうち、少なくとも１つの素子は半導体スイッチング素子を含む、少なくとも２つのアームと、前記少なくとも２つのアームと直流電圧源とを並列に接続する。複数の変換器は、互いに直列に接続される。制御部は、電流指令値に基づいて設定される複数の閾値と、前記複数の変換器からの出力電流とを比較し、比較した結果に基づいて、前記複数の変換器のうち、電力を出力させる変換器を決定するとともに、前記複数の変換器からの出力電流と、前記複数の変換器から得られるそれぞれの電圧とに基づいて、前記複数の変換器からの出力電圧を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態の電力変換装置の一例を示す図。
【図２】変換器１３の第１の出力動作例を示す図。
【図３】変換器１３の第２の出力動作例を示す図。
【図４】変換器１３の第３の出力動作例を示す図。
【図５】変換器１３の第４の出力動作例を示す図。
【図６】制御部１４の機能構成例を示す図。
【図７】上側閾値と下側閾値とを説明するための図。
【図８】時刻の経過に伴う電流変化と、閾値との比較内容を説明するための図。
【図９】第１の実施形態の電圧制御の一例を示す図。
【図１０】第１の実施形態の電力制御処理の一例を示すフローチャート。
【図１１】第２の実施形態の電圧制御の一例を示す図。
【図１２】第２の実施形態の電力制御処理の一例を示すフローチャート。
【図１３】第３の実施形態の電力変換装置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力変換装置の一例を示す図である。なお、図１の例では、電力変換装置１０を含む電力変換システム１の一例を示している。図１に示す電力変換システム１は、電力変換装置１０と、負荷２０とを備える。
【０００９】
電力変換装置１０は、リアクトル１２と、複数の変換器１３と、制御部１４と、出力端子１５とを備える。なお、制御部１４は、電力変換装置１０と別体に設けられてもよい。図１の例では、３つの変換器１３−１〜１３−３が直列に接続されている。以下の説明では、変換器１３−１〜１３−３は、それぞれ同様の構成とし、いずれの変換器であるか区別しないときは、いずれの変換器であるかを示すハイフン以降の符号を省略し、「変換器１３」と称して説明する。また、ハイフンを用いて説明する他の構成についても同様とする。
【００１０】
リアクトル１２は、直列に接続された各変換器１３−１〜１３−３と直列に接続される。リアクトル１２は、変換器１３−１に入力される直流電流を平滑化する。
【００１１】
変換器１３は、入力電流を少なくとも一方向に遮断可能な複数の素子が直列に接続された２つのアーム１３０−１（第１のアーム）、１３０−２（第２のアーム）と、２つのアーム１３０−１と並列に接続されるコンデンサ１３２とを備える。コンデンサ１３２は、直流電圧源の一例である。アーム１３０−１、１３０−２を構成する素子の直列に接続された素子のうち、少なくとも一部は半導体スイッチング素子を含む。図１の例では、アーム１３０−１は、半導体スイッチング素子１３４−１と、ダイオード１３６−１とが直列に接続される。アーム１３０−２は、半導体スイッチング素子１３４−２と、ダイオード１３６−２とが直列に接続される。２つのアーム１３０−１、１３０−２における半導体スイッチング素子１３４とダイオード１３６との接続順序は、それぞれのアーム１３０−１、１３０−２で逆になっている。半導体スイッチング素子１３４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のように、電流をオン／オフ制御することができる素子である。ダイオード１３６は、電流を一定方向に流す整流作用を持つ素子である。
【００１２】
また、変換器１３の出力部は、各アーム１３０−１、１３０−２の中点から引き出され、これらを直列に接続することで３つの変換器１３の出力が直列に接続される。ここで、変換器１３の出力動作例について、図を用いて説明する。
【００１３】
図２は、変換器１３の第１の出力動作例を示す図である。第１の出力動作例では、変換器１３が正の電圧（ｖ＝ｖｄｃ）を出力する場合の動作を示している。この場合、２つの半導体スイッチング素子１３４−１、１３４−２は、両方とも導通する（オン制御）。これにより、電流ｉは、矢印３０に示すように、２つの半導体スイッチング素子１３４−１、１３４−２と、コンデンサ１３２とを通って流れる。そのため、変換器１３は、正のコンデンサ電圧ｖｄｃを出力する。また、コンデンサ１３２は、放電される。
【００１４】
図３は、変換器１３の第２の出力動作例を示す図である。また、図４は、変換器１３の第３の出力動作例を示す図である。第２および第３の出力動作例では、変換器１３が零電圧（ｖ＝０）を出力する。言い換えると、第２および第３の出力動作例において、変換器１３は、電圧を出力しない。
【００１５】
例えば、図３に示す第２の出力動作例では、半導体スイッチング素子１３４−１は導通し（オン制御）、半導体スイッチング素子１３４−２は導通しない（オフ制御）。これにより、電流ｉは、矢印３２に示すように、半導体スイッチング素子１３４−１とダイオード１３６−２とを通って流れる。そのため、変換器１３は、零電圧を出力する。
【００１６】
また、図４に示す第３の出力動作例では、半導体スイッチング素子１３４−１は導通せず（オフ制御）、半導体スイッチング素子１３４−２は導通する（オン制御）。これにより、電流ｉは、矢印３４に示すように、ダイオード１３６−１と半導体スイッチング素子１３４−２とを通って流れる。そのため、変換器１３は、零電圧を出力する。
【００１７】
図５は、変換器１３の第４の出力動作例を示す図である。第４の出力動作例では、変換器１３が負の電圧（ｖ＝−ｖｄｃ）を出力する場合の出力動作例を示している。この場合、２つの半導体スイッチング素子１３４−１、１３４−２は、両方とも導通しない（オフ制御）。これにより、電流ｉは、矢印３６に示すように、ダイオード１３６−１、１３６−２と、コンデンサ１３２とを通って流れる。そのため、変換器１３は、負のコンデンサ電圧（−ｖｄｃ）を出力する。このとき、コンデンサ１３２は、充電される。
【００１８】
なお、上述した図２〜図５の出力動作は、制御部１４からの制御信号により制御される。また、図２〜図５の出力動作は、直列に接続された各変換器１３−１〜１３−３で個別に制御される。図１の構成により、電力変換装置１０は、零電圧も含めて４段の電圧パルスを出力することができる。
【００１９】
制御部１４は、電力変換装置１０を制御する。制御部１４は、例えばプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェア、或いは、これらの組み合わせによって実現される。
【００２０】
制御部１４には、電力変換装置１０の出力電流ｉと、各変換器１３−１〜１３−３から検出される３つのコンデンサ電圧ｖｄｃ１〜ｖｄｃ３とが入力される。制御部１４は、出力電流ｉおよびコンデンサ電圧ｖｄｃ１〜ｖｄｃ３と、予め設定された電流指令値ｉ＊とに基づいて、半導体スイッチング素子１３４を制御する制御信号を生成する。制御信号とは、例えば各変換器１３のアーム１３０に含まれる半導体スイッチング素子１３４に与えられるゲート信号である。
【００２１】
また、制御部１４は、生成した制御信号を各変換器１３−１〜１３−３に出力することで、変換器１３−１〜１３−３のそれぞれから出力される電圧を制御し、各変換器１３−１〜１３−３からの電圧ｖ１〜ｖ３が加算されて出力される出力電圧ｖｏｕｔを制御する。
【００２２】
出力端子１５には、負荷２０が接続されている。電力変換装置１０は、制御部１４により制御された電力を、出力端子１５を介して負荷２０に供給する。負荷２０は、例えば粒子加速器や核融合装置等のような瞬間的に大電力を消費する機器であるが、これに限定されるものではなく、電力を消費する他の機器でもよい。
【００２３】
ここで、上述した制御部１４について、図を用いて具体的に説明する。図６は、制御部１４の機能構成例を示す図である。図６に示す制御部１４は、段数決定部１４１と、電圧制御部１４２とを備える。段数決定部１４１は、直列に接続された変換器１３から出力される出力電流ｉと、予め設定された電流指令値ｉ＊とを比較し、比較結果に基づいて、変換器１３−１〜１３−３の電圧出力段数ｎを決定する。電圧出力段数ｎとは、直列に接続された変換器１３のうち、電圧を出力させる変換器１３の数に相当する。
【００２４】
段数決定部１４１は、例えば、電流指令値ｉ＊よりも値の大きい上側閾値（ｔｈｕ）と、電流指令値ｉ＊よりも小さい値である下側閾値（ｔｈｄ）とを備える。第１の実施形態において、上側閾値および下側閾値のそれぞれの数は、変換器１３の数と同数以上である。なお、段数決定部１４１は、直列に接続される変換器１３の数に対して、所定倍数（例えば１倍、２倍、３倍等）の上側閾値および下側閾値を設定してもよい。多くの閾値を設定することで、より細かな電圧制御を行うことができる。
【００２５】
また、段数決定部１４１は、上側閾値の数と、下側閾値の数とを同数にしてもよく、異なる数にしてもよい。図６の例において、段数決定部１４１には、３つの変換器１３−１〜１３−３に対し、３つの上側閾値（ｔｈｕ１、ｔｈｕ２、ｔｈｕ３）と、３つの下側閾値（ｔｈｄ１、ｔｈｄ２、ｔｈｄ３）とが設定される。
【００２６】
電圧制御部１４２は、段数決定部１４１から得られる電圧出力段数ｎと、コンデンサ電圧ｖｄｃ１〜ｖｄｃ３とに基づいて、どの変換器１３の出力を制御するかを決定する。また、電圧制御部１４２は、各変換器１３に対する制御信号を生成する。
【００２７】
図７は、上側閾値と下側閾値とを説明するための図である。図７の例において、横軸は時刻Ｔを示し、縦軸は電流Ｉを示す。図７では、時刻の経過（時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、…）に伴い、電流指令値ｉ＊を基準として、３つの上側閾値ｔｈｕ１、ｔｈｕ２、ｔｈｕ３と、３つの下側閾値ｔｈｄ１、ｔｈｄ２、ｔｈｄ３とを示している。
【００２８】
上側閾値は、電流指令値ｉ＊よりも大きい値を持ち、電流指令値ｉに近い側から順にｔｈｕ１、ｔｈｕ２、ｔｈｕ３が設定される。また、下側閾値は、電流指令値ｉ＊よりも小さい値を持ち、電流指令値ｉ＊に近い側から順にｔｈｄ１、ｔｈｄ２、ｔｈｄ３が設定される。それぞれの間には所定の間隔があり、図７の例では各閾値の間隔を等間隔とするが、この間隔の大きさは任意である。したがって、例えば、電流指令値ｉ＊から離れるほど閾値の間隔を広げたり（または狭めたり）してもよく、電流指令値ｉ＊からの距離に関係なく、閾値間ごとに間隔を調整してもよい。
【００２９】
図８は、時刻の経過に伴う電流変化と、閾値との比較内容を説明するための図である。図８の例において、横軸は、時刻Ｔを示し、縦軸は電流Ｉを示す。また、図８の例では、時間の経過に比例して、電流指令値Ｉ＊が増加する。段数決定部１４１は、例えば等間隔の時間のタイミング（例えば時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、…）で、出力電流ｉと電流指令値ｉ＊とを比較し、電圧出力段数ｎを設定する。
【００３０】
図８の例において、例えば、時刻ｔ０において、出力電流ｉは、下側閾値ｔｈｄ３よりも下回っている。つまり、時刻ｔ０において、出力電流ｉは、３つの下側閾値（ｔｈｄ１、ｔｈｄ２、ｔｈｄ３）よりも小さくなっている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを、現在の段数より３つ増加させる。なお、第１の実施形態では、変換器１３は３つであるため、４以上になることはできず、３段のままとなる。電圧制御部１４２は、直列に接続された変換器１３−１〜１３−３の全てから電圧を出力させる。これにより、その後の出力電流ｉは、急上昇する。
【００３１】
また、時刻ｔ１において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ１と下側閾値ｔｈｄ１との間の値となる。この場合、段数決定部１４１は、現時点の電圧出力段数ｎから変化させない。これにより、その後の出力電流ｉは、上昇し続ける。
【００３２】
また、時刻ｔ２において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ３よりも上回っている。つまり、時刻ｔ２において、出力電流ｉは、３つの上側閾値（ｔｈｕ１、ｔｈｕ２、ｔｈｕ３）よりも大きくなっている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを現在の電圧出力段数から３つ減少させる。なお、第１の実施形態で直列に接続された変換器１３の数は３つであり、また電圧出力段数ｎは０より小さくなることはできない。したがって、電圧出力段数ｎは０となる。これにより、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３からの出力を０とする。これにより、その後の出力電流ｉは、急降下する。
【００３３】
また、時刻ｔ３において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ１と上側閾値ｔｈｕ２との間の値となる。この場合、出力電流ｉは、上側閾値を１つ上回っている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを現時点の電圧出力段数から１つ減少させる。しかしながら、現時点の電圧出力段数ｎは既に０であり、これ以上減少させることはできない。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３からの出力を０のままとする。これにより、その後の出力電流ｉは、降下し続ける。
【００３４】
また、時刻ｔ４において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ１と下側閾値ｔｈｄ１との間の値となる。この場合、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎは変化させない。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３からの出力を０のままとする。これにより、その後の出力電流ｉは、降下し続ける。
【００３５】
また、時刻ｔ５において、出力電流ｉは、下側閾値ｔｈｄ１と下側閾値ｔｈｄ２との間の値となる。この場合、出力電流ｉは、下側閾値を１つ下回っている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを現時点の電圧出力段数から１つ増加させる。電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３のうち、１つの変換器から電圧を出力させる。これにより、その後の出力電流ｉは、緩やかに上昇する。
【００３６】
また、時刻ｔ６〜ｔ１０において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ１と下側閾値ｔｈｄ１との間の値となる。この場合、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを変化させず、１段のままとする。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３のうち、１つの変換器から電圧を出力させる。これにより、その後の出力電流ｉは、緩やかに上昇し続ける。
【００３７】
また、時刻ｔ１１において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ１と上側閾値ｔｈｕ２との間の値となる。この場合、出力電流ｉは、上側閾値を１つ上回っている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを現在の電圧出力段数から１つ減少させる。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３からの出力を０とする。これにより、その後の出力電流ｉは、降下する。
【００３８】
また、時刻ｔ１２において、出力電流ｉは、上側閾値ｔｈｕ１と下側閾値ｔｈｄ１との間の値となる。このとき、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを０段のまま変化させない。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３からの出力を０のままとする。これにより、その後の出力電流ｉは、降下し続ける。
【００３９】
また、時刻ｔ１３において、出力電流ｉは、下側閾値ｔｈｄ１と下側閾値ｔｈｄ２との間の値となる。この場合、出力電流ｉは、下側閾値を１つ下回っている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを現在の電圧出力段数より１つ増加させる。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３のうち、１つの変換器１３から電圧を出力させる。これにより、その後の出力電流ｉは、緩やかに上昇する。
【００４０】
また、時刻ｔ１４において、出力電流ｉは、下側閾値ｔｈｄ１と下側閾値ｔｈｄ２との間の値となる。この場合、出力電流ｉは、下側閾値を１つ下回っている。そのため、段数決定部１４１は、電圧出力段数ｎを現在の電圧出力段数より１つ増加させる。したがって、電圧制御部１４２は、直列に接続された全ての変換器１３のうち、２つの変換器１３から電圧を出力させる。これにより、その後の出力電流ｉは、上昇し、その上昇率は直前までの上昇率より増加する。制御部１４は、以降の時刻についても同様に、出力電流ｉと閾値との関係に基づいて、変換器１３に対する電圧制御を行うことができる。
【００４１】
上述したように、第１の実施形態によれば、出力電流ｉを、電流指令値ｉ＊に追従して制御させることができる。また、電力変換装置１０は、電流指令値ｉ＊に対する出力電流ｉの差分量に応じて出力電圧ｖｏｕｔを決定することができるため、高い追従性を得ることができる。
【００４２】
次に、電圧制御部１４２における電圧制御の具体例について、図を用いて説明する。図９は、第１の実施形態の電圧制御の一例を示す図である。図９の例において、横軸は時刻Ｔを示し、縦軸は電圧Ｖを示す。図９の例では、上述した図８の時刻ｔ１〜ｔ１５における各変換器１３−１〜１３−３の合計の出力電圧ｖｏｕｔ、それぞれの出力電圧ｖ１、ｖ２、ｖ３、および、それぞれのコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３を示している。電圧制御部１４２は、段数決定部１４１から電圧出力段数ｎが入力されると、各変換器１３のうち、どの変換器１３から電圧を出力させるかを決定する。
【００４３】
図９の例において、時刻ｔ０〜ｔ２の間の電圧出力段数ｎは３段である。また、変換器１３の数も３つであるため、電圧制御部１４２は、全ての変換器１３から電圧が出力されるように変換器１３を制御する。この場合、各変換器１３−１〜１３−３に対応するコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３は一様に低下するが、部品の個体差等の要因により、多少のばらつきが生じる。電圧制御部１４２は、電圧出力の開始時点（時刻ｔ＝０）で、全ての変換器１３から電圧を出力させることで、出力電流ｉを高速に立ち上げることができる。なお、電圧制御部１４２は、電圧出力の開始時点で電圧出力段数ｎを固定値にすることで、出力電流ｉと閾値との比較を行う必要がなくなるため、出力電流ｉの立ち上げを高速化することができる。
【００４４】
また、時刻ｔ２における電圧出力段数ｎは２段である。この場合、電圧制御部１４２は、３つのコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３の大小関係を比較し、最もコンデンサ電圧の高い変換器１３から順番に、２つの変換器１３を決定する。例えば、時刻ｔ２において、コンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３のうち、コンデンサ電圧ｖｄｃ３の電圧が最も低い。この場合、電圧制御部１４２は、変換器１３−１の出力電圧ｖ１および変換器１３−２の出力電圧ｖ２は出力したままとし、変換器１３−３の出力電圧ｖ３は停止するように、それぞれの変換器１３に対する制御信号を生成し、生成した制御信号を出力する。これにより、コンデンサ電圧ｖｄｃ１およびｖｄｃ２は低下するが、ｖｄｃ３はほぼ変化しない。
【００４５】
また、時刻ｔ４における電圧出力段数ｎは１段である。この場合、電圧制御部１４２は、３つのコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３の大小関係を比較すると、コンデンサ電圧ｖｄｃ３が最も高い。そのため、電圧制御部１４２は、変換器１３−３の出力電圧ｖ３を出力し、出力電圧ｖ１およびｖ２の出力は停止するように、それぞれの変換器１３に対する制御信号を生成し、生成した制御信号を出力する。これにより、コンデンサ電圧ｖｄｃ３は、低下するが、コンデンサ電圧ｖｄｃ１およびｖｄｃ２は、ほぼ変化しない。
【００４６】
また、時刻ｔ５における電圧出力段数ｎは２段である。この場合、電圧制御部１４２は、３つのコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３の大小関係を比較すると、コンデンサ電圧ｖｄｃ３が最も高い。また、その次にコンデンサ電圧が高いのが、コンデンサ電圧ｖｄｃ１である。そのため、電圧制御部１４２は、変換器１３−１からの出力電圧ｖ１と変換器１３−３の出力電圧ｖ３を出力し、変換器１３−２の出力電圧ｖ２は出力を停止するように、それぞれの変換器１３に対する制御信号を生成する。電圧制御部１４２は、時刻ｔ６以降についても同様に制御を行う。
【００４７】
ここで、第１の実施形態における制御部１４の電力制御処理について、フローチャートを用いて説明する。図１０は、第１の実施形態の電力制御処理の一例を示すフローチャートである。図１０の例において、段数決定部１４１は、直列に接続された変換器１３からの出力電流ｉを取得し（ステップＳ１００）、取得した出力電流ｉと、電流指令値ｉ＊に対応させて設定した閾値とを比較し、電圧出力段数ｎを決定する（ステップＳ１０２）。
【００４８】
次に、電圧制御部１４２は、決定された電圧出力段数に基づき、現時点の電圧出力段数から増減させるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。現時点の電圧出力段数から増減させる場合、電圧制御部１４２は、全ての変換器１３からコンデンサ電圧を取得する（ステップＳ１０６）。次に、電圧制御部１４２は、取得した全てのコンデンサ電圧を大小比較し（ステップＳ１０８）、コンデンサ電圧の大きい順に、電圧を出力させる電圧出力段数分の変換器１３を決定する（ステップＳ１１０）。
【００４９】
次に、電圧制御部１４２は、変換器１３の出力電圧を制御する制御信号を生成し（ステップＳ１１２）、生成した制御信号を変換器１３に出力する（ステップＳ１１４）。また、ステップＳ１０４の処理により、現時点の電圧出力段数から増減させない場合、電圧制御部１４２は、本フローチャートの処理を終了する。図１０に示すフローチャートは、所定の時間のタイミングで繰り返し実行される。
【００５０】
上述した制御により、電圧制御部１４２は、コンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３のそれぞれをほぼ同じ大きさとなるように調整することができる。また、上述した制御により、電圧制御部１４２は、いずれかのコンデンサ電圧を極端に低下させることなく、さらに出力する電圧の大きさに差が生じることで電流の制御性が低下するのを防止することができる。
【００５１】
上述した第１の実施形態により、変換器１３を多段接続することで、出力電圧ｖｏｕｔは、複数の電圧レベルを持つ波形となり、また各変換器１３に対するスイッチングあたりの電圧変化を小さくすることができる。そのため、スイッチング損失を小さくすることができる。また、第１の実施形態によれば、より細かい電圧制御が可能になるため、リアクトル１２のインダクタンスを小さくでき、電流の制御性も向上する。また、第１の実施形態によれば、複数のコンデンサ電圧の大きさのばらつきを軽減することができる。これにより、電力変換装置１０は、負荷２０が大電力を出力する場合であっても、半導体スイッチング素子１３４のスイッチング損失を低減しつつ、良好な制御性を得ることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に、電力変換装置１０の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態における電力変換システム１の構成については、上述した第１の実施形態と同様の構成を用いることができるため、ここでの具体的な説明は省略する。また、第２の実施形態の制御部１４における段数決定部１４１の処理は、上述した第１の実施形態における処理と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００５３】
第２の実施形態における電圧制御部１４２は、段数決定部１４１から得られる電圧出力段数と、現在の電圧出力段数とを比較し、現在の電圧出力段数から増加させる場合には、現時点で出力電圧を出力していない変換器１３のコンデンサ電圧を取得し、取得したコンデンサ電圧のうち、電圧の大きい順に追加分の変換器１３を決定する。また、電圧制御部１４２は、現在の電圧出力段数から減少させる場合には、現時点で出力電圧を出力している変換器１３のコンデンサ電圧を取得し、取得したコンデンサ電圧のうち、電圧の小さい順に減少分の変換器１３を決定する。
【００５４】
図１１は、第２の実施形態の電圧制御の一例を示す図である。図１１の例において、横軸は時刻Ｔを示し、縦軸は電圧Ｖを示す。図１１の例では、上述した図８の時刻ｔ１〜ｔ１５における各変換器１３−１〜１３−３の合計の出力電圧ｖｏｕｔ、それぞれの出力電圧ｖ１、ｖ２、ｖ３、および、それぞれのコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３を示している。電圧制御部１４２は、段数決定部１４１から電圧出力段数ｎが入力されると、各変換器１３のうち、どの変換器１３から電圧を出力させるかを決定する。
【００５５】
図１１の例において、時刻ｔ０〜ｔ３まで電圧制御部１４２による電圧制御の内容は、上述した第１の実施形態における時刻ｔ０〜ｔ３までの電圧制御の内容と同様であるため、ここでの具体的な説明は省略する。
【００５６】
時刻ｔ４における電圧出力段数ｎは１段である。この場合、電圧制御部１４２は、現時点の電圧出力段数は２段であるため、１段減少させる必要がある。この場合、電圧制御部１４２は、現時点で電圧を出力している２つの変換器１３−１、１３−２からコンデンサ電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２を取得し、取得した２つのコンデンサ電圧の大小関係を比較する。比較した結果、コンデンサ電圧ｖｄｃ２の方が、コンデンサ電圧ｖｄｃ２よりも小さい。この場合、電圧制御部１４２は、変換器１３−１の出力電圧ｖ１を出力し、出力電圧ｖ２の出力を停止するように、それぞれの変換器１３に対する制御信号を生成し、生成した制御信号を出力する。なお、電圧制御部１４２は、出力電圧ｖ１の出力を停止させたままの状態になるように変換器１３−１を制御する。この制御により、コンデンサ電圧ｖｄｃ１は低下するが、コンデンサ電圧ｖｄｃ２およびｖｄｃ３は、ほぼ変化しない。
【００５７】
また、時刻ｔ５における電圧出力段数ｎは２段である。この場合、電圧制御部１４２は、現在の出力段数が１段であるため、電圧を出力する変換器１３を１つ増加させる。このとき、電圧制御部１４２は、電圧出力を停止している２つの変換器１３−２、１３−３からコンデンサ電圧ｖｄｃ２、ｖｄｃ３を取得し、取得したコンデンサ電圧の大小関係を比較する。ここでは、コンデンサ電圧ｖｄｃ３の方が、コンデンサ電圧ｖｄｃ２よりも高い。そのため、電圧制御部１４２は、変換器１３−３からの出力電圧ｖ３を出力し、変換器１３−２の出力電圧ｖ２は出力を停止したままの状態になるように、制御信号を生成する。なお、電圧制御部１４２は、変換器１３−１からの出力電圧ｖ１を出力したままの状態になるように制御する。電圧制御部１４２は、時刻ｔ６以降についても同様に制御を行う。
【００５８】
ここで、第２の実施形態における制御部１４の電力制御処理について、フローチャートを用いて説明する。図１２は、第２の実施形態の電力制御処理の一例を示すフローチャートである。図１２の例において、段数決定部１４１は、直列に接続された変換器１３からの出力電流ｉを取得し（ステップＳ２００）、取得した出力電流ｉと、電流指令値ｉ＊に対応させて設定した閾値とを比較し、電圧出力段数ｎを決定する（ステップＳ２０２）。
【００５９】
次に、電圧制御部１４２は、決定された電圧出力段数に基づき、現時点の電圧出力段数よりも増加させるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。現時点の電圧出力段数から増加させる場合、電圧制御部１４２は、出力を停止している変換器１３からコンデンサ電圧を取得し（ステップＳ２０６）、取得したコンデンサ電圧を大小比較し（ステップＳ２０８）、コンデンサ電圧の大きい順に、追加分の変換器１３を決定する（ステップＳ２１０）。
【００６０】
また、電圧制御部１４２は、現時点の電圧出力段数から増加させない場合、決定された電圧出力段数に基づき、現時点の電圧出力段数よりも減少させるか否かを判定する（ステップＳ２１２）。現時点の電圧出力段数よりも減少させる場合、電圧を出力している変換器１３からコンデンサ電圧を取得し（ステップＳ２１４）、取得したコンデンサ電圧を大小比較する（ステップＳ２１６）。また、電圧制御部１４２は、コンデンサ電圧の小さい順に、減少分の変換器１３を決定する（ステップＳ２１８）。
【００６１】
ステップＳ２１０またはステップＳ２１８の処理後、電圧制御部１４２は、変換器１３の出力電圧を制御する制御信号を生成し（ステップＳ２２０）、生成した制御信号を変換器１３に出力する（ステップＳ２２２）。また、ステップＳ２１２の処理により、現時点の電圧出力段数よりも減少させない場合、電圧出力段数は、現時点の電圧出力段数と同数であるため、本フローチャートの処理を終了する。図１２に示すフローチャートは、所定の時間のタイミングで繰り返し実行される。
【００６２】
上述したように、第２の実施形態によれば、段数決定部１４１から指示された電圧出力段数に基づいて各変換器１３のうち、電圧を出力する変換器１３を決定する場合に、増加対象または減少対象の変換器１３からのコンデンサ電圧を用いて比較することで、直列に接続された全ての変換器１３からのコンデンサ電圧を取得して各電圧値を比較する必要がないため、電圧制御の処理効率を向上させることができる。また、第２の実施形態によれば、電圧出力段数の変化時に、段数変化の差分数に対応する数の変換器１３の出力を変化させるだけでよいため、変換器１３ごとのスイッチング回数を少なくすることができる。したがって、スイッチング損失を、第１の実施形態よりもさらに軽減することができる。
【００６３】
（第３の実施形態）
次に、電力変換装置における第３の実施形態について図を用いて説明する。図１３は、第３の実施形態の電力変換装置の一例を示す図である。なお、図１３の例では、電力変換装置４０を含む電力変換システム２の一例を示している。また、上述した第１の実施形態と同様の構成については、同一の番号を付するものとし、ここでの具体的な説明は省略する。電力変換システム２は、電力変換装置４０と、負荷２０とを備える。
【００６４】
電力変換装置４０は、リアクトル１２と、複数の変換器４３と、制御部１４と、出力端子１５とを備える。図１３の例では、３つの変換器４３−１〜４３−３が直列に接続されている。
【００６５】
第３の実施形態における変換器４３は、２つの半導体スイッチング素子４３４を直列に接続したアーム４３０を２つ備える。アーム４３０−１には、半導体スイッチング素子４３４−１と半導体スイッチング素子４３４−２とが直列に接続される。アーム４３０−２には、半導体スイッチング素子４３４−３と半導体スイッチング素子４３４−４とが直列に接続される。
【００６６】
変換器４３は、この２つのアーム４３０−１、４３０−２と直流電圧源であるコンデンサ４３２とを並列に接続して構成される。変換器４３の出力部は、各アームの中点から引き出される。制御部１４は、図１３に示す各スイッチング素子４３４−１〜４３４−４のオン／オフを切り替えることで、上述した図２〜図５に示す電圧の出力制御と同様の電圧制御を行うことができる。
【００６７】
例えば、制御部１４は、変換器４３に対して、半導体スイッチング素子４３４−２および半導体スイッチング素子４３４−３をオン制御し、半導体スイッチング素子４３４−１および半導体スイッチング素子４３４−４をオフ制御することで、正の電圧（ｖ＝ｖｄｃ）を出力させる。
【００６８】
また、制御部１４は、半導体スイッチング素子４３４−２および半導体スイッチング素子４３４−４をオン制御し、半導体スイッチング素子４３４−１および半導体スイッチング素子４３４−３をオフ制御することで、零電圧（ｖ＝０）を出力させる。また、制御部１４は、半導体スイッチング素子４３４−１および半導体スイッチング素子４３４−３をオン制御し、半導体スイッチング素子４３４−２および半導体スイッチング素子４３４−４をオフ制御することで、零電圧（ｖ＝０）を出力させる。
【００６９】
また、制御部１４は、半導体スイッチング素子４３４−１および半導体スイッチング素子４３４−４をオン制御し、半導体スイッチング素子４３４−２および半導体スイッチング素子４３４−３をオフ制御することで、負の電圧（ｖ＝−ｖｄｃ）を出力させる。
【００７０】
これにより、上述した第１の実施形態に示す変換器１３と同様の電圧の出力制御が実現できる。したがって、電力変換装置４０が大電力を出力する場合であっても、半導体スイッチング素子４３４のスイッチング損失を低減しつつ、良好な制御性を得ることができる。また、第３の実施形態によれば、第１の実施形態の変換器１３に含まれるダイオード１３６の代わりに、半導体スイッチング素子４３４を用いるため、ダイオード１３６よりも導通損失が小さい。したがって、第３の実施形態によれば、第１の実施形態よりもさらに導通時の損失を低減し、低損失な電力変換装置を実現することができる。
【００７１】
なお、電力変換装置の実施形態については、上述した第１〜第３の実施形態に限定されるものではなく、例えば第１〜第３の実施形態のうち、一部または全部を組み合わせてもよい。例えば、直列に接続される複数の変換器のうち、一部を変換器１３の構成とし、残りを変換器４３の構成としてもよい。
【００７２】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電力変換装置１０（４０）は、電流を少なくとも一方向に遮断可能な複数の素子が直列に接続され、直列に接続された複数の素子のうち、少なくとも１つの素子は半導体スイッチング素子１３４（４３４）を含む、少なくとも２つのアーム１３０（４３０）と、少なくとも２つのアームと直流電圧源とを並列に接続した複数の変換器１３（４３）であって、互いに直列に接続された複数の変換器と、電流指令値ｉ＊に基づいて設定される複数の閾値と、複数の変換器からの出力電流とを比較し、比較した結果に基づいて、複数の変換器のうち、電力を出力させる変換器を決定するとともに、複数の変換器からの出力電流と、複数の変換器から得られるそれぞれの電圧とに基づいて、複数の変換器からの出力電圧を制御する制御部１４とを持つことにより、スイッチング損失を低減しつつ、電圧制御の制御性を向上させることができる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７４】
１、２…電力変換システム、１０、４０…電力変換装置、１２…リアクトル、１３…変換器、１４…制御部、１５…出力端子、２０…負荷、１３０、４３０…アーム、１３２、４３２…コンデンサ（直流電源圧）、１３４、４３４…半導体スイッチング素子、１３６…ダイオード、１４１…段数決定部、１４２…電圧制御部
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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