(57)【要約】【課題】電流の制御性を向上させた電力変換装置を提供する。【解決手段】交流電源に接続され、半導体スイッチング素子のスイッチング制御により電力変換を行う電力変換回路と、第１の電流値と、該第１の電流値の目標値として設定された第２の電流値との偏差の積分値を用いて制御量を演算し、第１の電流値を第２の電流値に追従させるよう制御量に基づいて半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、制御回路は、第１の電流値と第２の電流値との偏差を、所定条件に基づいて複数の期間に分割された交流電源の交流周期のそれぞれの期間で積分する複数の積分器を有する積分器群と、複数の期間のそれぞれに対応するように、所定条件に基づいて複数の積分器を切り替える積分器切り替え器とを有している。【選択図】図６
2015023697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続され、半導体スイッチング素子のスイッチング制御により電力変換を行う電力変換回路と、
第１の電流値と、該第１の電流値の目標値として設定された第２の電流値との偏差の積分値を用いて制御量を演算し、前記第１の電流値を前記第２の電流値に追従させるよう前記制御量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１の電流値と前記第２の電流値との前記偏差を、所定条件に基づいて複数の期間に分割された前記交流電源の交流周期のそれぞれの期間で積分する複数の積分器を有する積分器群と、
前記複数の期間のそれぞれに対応するように、前記所定条件に基づいて前記複数の積分器を切り替える積分器切り替え器とを有する、電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の電流値は、前記交流電源から前記電力変換回路への交流入力電流値であって、
前記第２の電流値は、前記交流入力電流値の目標値である、請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換回路は、
前記交流電源からの入力を整流する整流回路と、
フルブリッジ型のインバータおよび直流電圧源を有し、前記整流回路側の出力と前記インバータの出力とを重畳するインバータ回路と、
第１および第２の直流母線間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成されるハーフブリッジ回路を有し、前記第１および第２の半導体スイッチング素子の接続点に前記インバータの出力が入力されるコンバータ回路と、
前記第１および第２の直流母線間に接続され、前記コンバータ回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、を有した交流−直流変換回路を備え、
前記制御回路は、
前記インバータ回路の前記直流電圧源の直流電圧が、設定された目標電圧値に追従するように、前記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間を設けて前記コンバータ回路を制御すると共に、前記制御量を用いて前記インバータ回路および前記コンバータ回路を制御する、請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換回路は、
フルブリッジ型のインバータおよび直流電圧源を有し、前記交流電源側の出力と前記インバータの出力とを重畳するインバータ回路と、
第１および第２の直流母線間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成される第１のハーフブリッジ回路と、前記第１および第２の直流母線間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子で構成される第２のハーフブリッジ回路とを有し、前記第１および第２の半導体スイッチング素子の接続点に前記インバータの出力が入力され、前記第３および第４の半導体スイッチング素子の接続点が前記交流電源に接続されるコンバータ回路と、
前記第１および第２の直流母線間に接続され、前記コンバータ回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、を有した交流−直流変換回路を備え、
前記制御回路は、
前記インバータ回路の前記直流電圧源の直流電圧が、設定された目標電圧値に追従するように、前記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間を設けて前記コンバータ回路を制御すると共に、前記制御量を用いて前記インバータ回路および前記コンバータ回路を制御する、請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換回路は、
前記交流電源からの入力を整流する整流回路と、
直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成されるハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路の第１および第２の直流端子間に接続された直流電圧源とを有し、前記第１および第２の半導体スイッチング素子の接続点に前記整流回路の第１の出力端子側からの出力が与えられるインバータ回路と、
前記インバータ回路の第１の直流端子と第１の直流母線との間に介挿された第３の半導体スイッチング素子と、前記インバータ回路の第２の直流端子と第２の直流母線との間に介挿された第４の半導体スイッチング素子とを有し、前記第２の直流母線が前記整流回路の第２の出力端子に接続されたコンバータ回路と、
前記第１および第２の直流母線間に接続され、前記コンバータ回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、を有した交流−直流変換回路を備え、
前記制御回路は、
前記インバータ回路の前記直流電圧源の直流電圧が、設定された目標電圧値に追従するように、前記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間を設けて前記コンバータ回路を制御すると共に、前記制御量を用いて前記インバータ回路および前記コンバータ回路を制御する、請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換回路は、
直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成される第１のハーフブリッジ回路と、前記第１のハーフブリッジ回路の第１および第２の直流端子間に接続された第１の直流電圧源とを有し、前記第１および第２の半導体スイッチング素子の接続点に前記交流電源の第１の出力端子側からの出力が与えられる第１のインバータ回路と、
前記第１のインバータ回路の第１の直流端子と第１の直流母線との間に介挿された第３の半導体スイッチング素子と、前記第１のインバータ回路の第２の直流端子と第２の直流母線との間に介挿された第４の半導体スイッチング素子とを有する第１のコンバータ回路と、
直列に接続された第５および第６の半導体スイッチング素子で構成される第２のハーフブリッジ回路と、前記第２のハーフブリッジ回路の第１および第２の直流端子間に接続された第２の直流電圧源とを有し、前記第５および第６の半導体スイッチング素子の接続点に前記交流電源の第２の出力端子が接続された第２のインバータ回路と、
前記第２のインバータ回路の第１の直流端子と前記第１の直流母線との間に介挿された第７の半導体スイッチング素子と、前記第２のインバータ回路の第２の直流端子と前記第２の直流母線との間に介挿された第８の半導体スイッチング素子とを有する第２のコンバータ回路と、
前記第１および第２の直流母線間に接続され、前記第１および第２のコンバータ回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、を有した交流−直流変換回路を備え、
前記制御回路は、
前記第１のインバータ回路の前記第１の直流電圧源の第１の直流電圧および前記第２の直流電圧源の第２の直流電圧のそれぞれが、設定された第１の目標電圧値および第２の目標電圧値に追従するように、前記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間を設けて前記第１および第２のコンバータ回路を制御すると共に、前記制御量を用いて前記第１および第２のンバータ回路、前記第１および第２のコンバータ回路を制御する、請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電力変換回路は、
前記第１および第２の直流母線の出力する直流電力を受け、直流電力を出力する直流−直流変換回路をさらに備え、
前記第１の電流値は、前記直流−直流変換回路の直流出力電流値であって、
前記第２の電流値は、前記直流出力電流値の目標値であって、
前記制御回路は、
前記制御量を用いて前記直流−直流変換回路を構成する半導体スイッチング素子を制御する、請求項３または請求項５記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換回路は、
前記第１および第２の直流母線の出力する直流電力を受け、直流電力を出力する直流−直流変換回路をさらに備え、
前記第１の電流値は、前記直流−直流変換回路の直流出力電流値であって、
前記第２の電流値は、前記直流出力電流値の目標値であって、
前記制御回路は、
前記制御量を用いて前記直流−直流変換回路を構成する半導体スイッチング素子を制御する、請求項４記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換回路は、
前記第１および第２の直流母線の出力する直流電力を受け、直流電力を出力する直流−直流変換回路をさらに備え、
前記第１の電流値は、前記直流−直流変換回路の直流出力電流値であって、
前記第２の電流値は、前記直流出力電流値の目標値であって、
前記制御回路は、
前記制御量を用いて前記直流−直流変換回路を構成する半導体スイッチング素子を制御する、請求項６記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電力変換回路は、
前記交流電源からの入力を整流する整流回路と、
第１および第２の直流母線間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成されるハーフブリッジ回路と、
前記第１および第２の直流母線間に接続され、前記ハーフブリッジ回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、を備え、
前記第１および第２の半導体スイッチング素子の接続点に前記整流回路側からの出力が与えられ、
直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成されるハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路の第１および第２の直流端子間に接続された直流電圧源とを有し、
前記第１の電流値は、前記交流電源から前記電力変換回路への交流入力電流値であって、
前記第２の電流値は、前記交流入力電流値の目標値であって、
前記制御回路は、
前記制御量に基づいて前記ハーフブリッジ回路を制御する、請求項２記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記電力変換回路は、
第１および第２の直流母線間に直列に接続された第１および第２の半導体スイッチング素子で構成される第１のハーフブリッジ回路と、前記第１および第２の直流母線間に直列に接続された第３および第４の半導体スイッチング素子で構成される第２のハーフブリッジ回路と、
前記第１および第２の直流母線間に接続され、前記第１および第２のハーフブリッジ回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、を備え、
前記第１および第２の半導体スイッチング素子の接続点に前記交流電源の第１の出力端子側からの出力が与えられ、前記第３および第４の半導体スイッチング素子の接続点が前記交流電源の第２の出力端子に接続され、
前記第１の電流値は、前記交流電源から前記電力変換回路への交流入力電流値であって、
前記第２の電流値は、前記交流入力電流値の目標値であって、
前記第制御回路は、
前記制御量に基づいて前記第１および第２のハーフブリッジ回路を制御する、請求項２記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、
電力を前記交流電源に回生するように、前記インバータ回路および前記コンバータ回路の制御を行う、請求項４記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、
電力を前記交流電源に回生するように、前記第１および第２のインバータ回路および前記第１および第２のコンバータ回路の制御を行う、請求項６記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記制御回路は、
電力を前記交流電源に回生するように、前記交流−直流変換回路の前記インバータ回路および前記コンバータ回路と、前記直流−直流変換回路の前記半導体スイッチング素子の制御を行う、請求項８記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記制御回路は、
電力を前記交流電源に回生するように、前記交流−直流変換回路の前記第１および第２のインバータ回路および前記第１および第２のコンバータと、前記直流−直流変換回路の前記半導体スイッチング素子の制御を行う、請求項９記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記制御回路は、
電力を前記交流電源に回生するように、前記第１および第２のハーフブリッジ回路の制御を行う、請求項１１記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記制御回路は、
複数の電流制御方法によって前記電力変換回路を制御し、
前記所定条件として、前記複数の電流制御方法のうちの１つの電流制御方法を用いて前記交流電源の交流周期を前記複数の期間に分割する、請求項３〜請求項７の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記複数の電流制御方法は、
前記短絡期間において電流制御する電流制御方法と、前記短絡期間以外の期間において電流制御する電流制御方法を含む、請求項１７に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記複数の電流制御方法は、請求項３〜請求項５、請求項７、および請求項８の何れか１項においては、前記インバータ回路を高周波スイッチング制御して電流制御する電流制御方法と、前記コンバータ回路を高周波スイッチング制御して電流制御する電流制御方法を含み、
請求項６および請求項９の何れか１項においては、前記第１および第２のインバータ回路を高周波スイッチング制御して電流制御する電流制御方法と、前記第１および第２のコンバータ回路を高周波スイッチング制御して電流制御する電流制御方法を含む、請求項１７または請求項１８記載の電力変換装置。
【請求項２０】
前記制御回路は、
前記所定条件として、前記交流電源からの入力電流または入力電圧の極性を用いて前記交流電源の交流周期を前記複数の期間に分割する、請求項１〜請求項１９の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項２１】
前記制御回路は、
前記交流電源からの入力電圧の勾配の極性を用いて前記交流電源の交流周期を前記複数の期間に分割する、請求項１〜請求項２０の何れか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】
本発明は電力変換装置に関し、特に、スイッチング制御によって電流制御を行い、交流入力電力を直流出力電力に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置は、交流入力を整流する後段回路に、半導体スイッチング素子および直流電圧源を含む単相インバータで構成されたインバータ回路の交流側が直列に接続され、さらに後段に、整流ダイオードを介して接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサをバイパスさせる短絡用スイッチとを備えた構成を採っている。
【０００３】
そして、例えば、特許文献１の図８には、短絡用スイッチがゼロクロス位相を中央とする短絡位相範囲でのみオン状態となるように制御され、平滑コンデンサの直流電圧を目標電圧に追従させ、入力力率を改善するように、インバータ回路を制御する構成が開示されている。また、短絡用スイッチのオン・オフに応じてインバータ回路の出力電圧指令に対して補正電圧を加算するフィードフォワード制御により、電流制御の制御性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２９３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の電力変換装置では、フィードフォワード制御によって電流制御のためにインバータ回路の出力電圧指令を補正しており、その補正には入力電圧センサや平滑コンデンサの電圧センサなどに係る電圧測定値を用いる。しかし、インバータ回路が出力電圧指令の通りに出力したとしても、回路中を電流が流れることで生じる電圧降下やセンサ誤差により、電流の制御性は低下する。
【０００６】
また、ダイオードの順方向電圧等に係る電圧降下についてはフィードフォワード制御によって予め考慮できるが、発熱や部品のバラつきに係る誤差を考慮することができない。
【０００７】
このような場合に、電流制御のために一般的な比例積分制御を導入し、交流電流制御に影響を与えない程度の長い積分時間で制御することにより、電圧降下によって生じる定常偏差を補償し、電流制御性を改善することができる。
【０００８】
しかし、短絡用スイッチのオン・オフにより電流導通経路が変化し、電圧降下する値に変化を生じるため、一般的な比例積分制御では短絡用スイッチのオン・オフ時の両方の電流制御性を最大限まで向上させることができないという問題点があった。
【０００９】
また、交流を直流に変換するためのブリッジ回路を備えているが、交流入力電流の極性によって導通するデバイスが切り替わり、電圧降下する値に変化を生じるため、交流入力電流の極性によって電流制御性に差異を生じていた。
【００１０】
また、短絡用スイッチをオンすると、平滑コンデンサをバイパスする経路となるため、短絡用スイッチのオン・オフによって電流制御の制御量演算式は変化する。この場合、平滑コンデンサの電圧センサが誤差を持っていると、当該誤差の影響の有無が短絡用スイッチのオン・オフで変化し、短絡用スイッチの状態によって電流の制御性に差異を生じる。同様にして、交流電源の電圧センサが誤差を持っていると、交流電圧の極性によって電流の制御性に差異を生じる。
【００１１】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、電流の制御性を向上させた電力変換装置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】
【００１２】
本発明に係る電力変換装置は、交流電源に接続され、半導体スイッチング素子のスイッチング制御により電力変換を行う電力変換回路と、第１の電流値と、該第１の電流値の目標値として設定された第２の電流値との偏差の積分値を用いて制御量を演算し、前記第１の電流値を前記第２の電流値に追従させるよう前記制御量に基づいて前記半導体スイッチング素子を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１の電流値と前記第２の電流値との前記偏差を、所定条件に基づいて複数の期間に分割された前記交流電源の交流周期のそれぞれの期間で積分する複数の積分器を有する積分器群と、前記複数の期間のそれぞれに対応するように、前記所定条件に基づいて前記複数の積分器を切り替える積分器切り替え器とを有している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る電力変換装置によれば、電流の導通経路の変化に応じて生じる、第１の電流値と設定された第２の電流値との偏差を積分して制御量を演算するので、導通経路の変化に伴う電圧降下の変動やセンサ誤差に対して適切な積分値による補償が可能となり、電流の制御性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
【図３】本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
【図４】本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の昇圧動作を説明する各部の波形とインバータ回路の直流電圧源の充放電を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の降圧動作を説明する各部の波形とインバータ回路の直流電圧源の充放電を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る実施の形態２の電力変換装置のコンバータ回路のＰＷＭ制御を説明するための各部の波形を示した図である。
【図８】本発明に係る実施の形態２の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図９】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の構成図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の力行動作を説明する電流経路図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の力行動作を説明する電流経路図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の力行動作を説明する電流経路図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の力行動作を説明する電流経路図である。
【図１４】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の回生動作を説明する電流経路図である。
【図１５】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の回生動作を説明する電流経路図である。
【図１６】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の回生動作を説明する電流経路図である。
【図１７】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の回生動作を説明する電流経路図である。
【図１８】本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図１９】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の構成図である。
【図２０】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
【図２１】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
【図２２】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
【図２３】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
【図２４】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の動作を説明する各部の波形とインバータ回路の直流コンデンサの充放電を示す図である。
【図２５】本発明に係る実施の形態４の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図２６】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の構成図である。
【図２７】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の正極性の動作を説明する電流経路図である。
【図２８】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の正極性の動作を説明する電流経路図である。
【図２９】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の正極性の動作を説明する電流経路図である。
【図３０】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の正極性の動作を説明する電流経路図である。
【図３１】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の負極性の動作を説明する電流経路図である。
【図３２】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の負極性の動作を説明する電流経路図である。
【図３３】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の負極性の動作を説明する電流経路図である。
【図３４】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の負極性の動作を説明する電流経路図である。
【図３５】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の動作を説明する各部の波形とインバータ回路の直流コンデンサの充放電を示す図である。
【図３６】本発明に係る実施の形態５の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図３７】本発明に係る実施の形態６の電力変換装置のＤＣ／ＤＣ変換回路の構成図である。
【図３８】本発明に係る実施の形態６の電力変換装置のＤＣ／ＤＣ変換回路の動作を説明する各部の波形を示す図である。
【図３９】本発明に係る実施の形態６の電力変換装置の動作を説明する各部の波形を示す図である。
【図４０】本発明に係る実施の形態６の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図４１】本発明に係る実施の形態７の電力変換装置の構成図である。
【図４２】本発明に係る実施の形態７および８の電力変換装置の制御を示すブロック図である。
【図４３】本発明に係る実施の形態８の電力変換装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜実施の形態１＞
＜装置構成＞
以下、本発明に係る実施の形態１の電力変換装置の装置構成について説明する。図１は、本発明に係る実施の形態１の電力変換装置１０００の概略構成を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、電力変換装置１０００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と、制御回路１０とを備えている。主回路は、整流回路を構成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、インバータ回路１００と、コンバータ回路３００と、平滑コンデンサ３とを備えている。
【００１７】
交流電源１は電力変換装置１０００の入力端子ｔ１（第１の入力端子）と入力端子ｔ２（第２の入力端子）の間に接続され、入力端子ｔ１およびｔ２はダイオードブリッジ４に接続され、ダイオードブリッジ４の一方の出力端子がリアクトル２に接続され、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１００に直列に接続される構成となっている。
【００１８】
コンバータ回路３００は、交流端子がインバータ回路１００の交流出力線に接続され、負電位側の直流端子がダイオードブリッジ４の他方の出力端子に接続され、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。
【００１９】
インバータ回路１００を構成する単相インバータは、２つの電源ライン間に直列に接続されたＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチング素子１０１ａおよび１０２ａと、同じく２つの電源ライン間に直列に接続された半導体スイッチング素子１０３ａおよび１０４ａとを備え、半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード１０１ｂ〜１０４ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【００２０】
半導体スイッチング素子１０１ａおよび１０２ａの直列接続と、半導体スイッチング素子１０３ａおよび１０４ａの直列接続との間には、両者に並列するように２つの電源ライン間に接続された直流コンデンサ等で構成される直流電圧源１０５を備えており、フルブリッジ型のインバータを構成している。
【００２１】
コンバータ回路３００は、直流母線３ａ、３ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子３０１ａおよび３０２ａを有し、半導体スイッチング素子３０１ａおよび３０２ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード３０１ｂおよび３０２ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子３０１ａ、３０２ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【００２２】
インバータ回路１００の交流出力線には、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０１ａのソース（エミッタ）と半導体スイッチング素子３０２ａのドレイン（コレクタ）との接続点が接続されている。
【００２３】
なお、半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａ、３０１ａ、３０２ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を用いても良く、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。
【００２４】
また、リアクトル２とインバータ回路１００は、ダイオードブリッジ４とコンバータ回路３００の間に直列に接続されれば、どのような位置関係でも良い。また、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０１ａ、３０２ａの代わりに機械式スイッチを用いても良い。
【００２５】
また、電力変換装置１０００は、インバータ回路１００の直流電圧源１０５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、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および交流電流Ｉｉｎ（第１の電流値）を測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【００２６】
制御回路１０は、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂと、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃと、電力変換装置１０００の入力端子ｔ１、ｔ２間へ印加される入力電圧Ｖｉｎ、入力端子に流れる入力電流Ｉｉｎとに基づいて、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊になるように、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００内の半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａ、３０１ａ、３０２ａに与えるゲート信号１１、１２を生成して、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００の出力制御を行う。
【００２７】
平滑コンデンサ３には図示しない負荷が接続され、通常時は電圧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１００およびコンバータ回路３００の出力制御を行う。
【００２８】
＜力行動作＞
このように構成される電力変換装置１０００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２〜図５に基づいて説明する。
【００２９】
図２および図３は電流経路図を示し、電流が流れる経路を太線で示している。また、図４は、電力変換装置１０００の昇圧時の各部の波形とインバータ回路１００の直流電圧源１０５の充放電動作を示す図である。図５は、電力変換装置１０００の降圧時の各部の波形とインバータ回路１００の直流電圧源１０５の充放電動作を示す図である。
【００３０】
なお、電力変換装置１０００の出力段である平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐより高い場合を昇圧と称し、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐより低い場合を降圧と称す。
【００３１】
また、図４および図５では、平滑コンデンサ３の電圧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。
【００３２】
交流電源１からの電圧Ｖｉｎは、図４および図５の（ａ）部に示すような正弦波形となる。インバータ回路１００は、交流電源１からの入力力率がほぼ１になるようにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御による高周波スイッチングにより電流Ｉｉｎを制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源１の出力である電圧Ｖｉｎに重畳する。なお、この実施の形態１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、単に電流制御とする。
【００３３】
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。
【００３４】
＜０≦θ＜πの場合＞
インバータ回路１００では、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を充電するように電流が流れ、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を放電するように電流が流れる。
【００３５】
また、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオフ状態の場合、および半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５をスルーして電流が流れる。
【００３６】
制御回路１０は、このような４種の制御の組み合わせで半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａを制御して、インバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充放電させ、電流制御を行う。
【００３７】
なお、各半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａに流れる電流が、ソース（エミッタ）からドレイン（コレクタ）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１０１ｂ〜１０４ｂに電流を流すように制御しても良い。
【００３８】
図２に示すように、交流電源１からの電流は、ダイオードブリッジ４で整流された後にリアクトル２に与えられて限流され、インバータ回路１００に入力される。インバータ回路１００の出力はコンバータ回路３００内のダイオード３０１ｂを介して平滑コンデンサ３を充電し、ダイオードブリッジ４を経て交流電源１に戻る。
【００３９】
制御回路１０は、上記の４種の制御の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を放電、あるいは充電するように電流制御を行う。
【００４０】
交流電源１からの電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相を中央として、±θ１（θ１を短絡位相と称する）の位相範囲（以下、短絡期間Ｔと称す）では、図３に示すように、制御回路１０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半導体スイッチング素子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。この時、コンバータ回路３００内の半導体スイッチング素子３０１ａをオフさせる。
【００４１】
交流電源１からの電流は、ダイオードブリッジ４で整流された後にリアクトル２に与えられて限流され、インバータ回路１００に入力されて直流電圧源１０５を充電した後、コンバータ回路３００内の半導体スイッチング素子３０２ａを通り、ダイオードブリッジ４を経て交流電源１に戻る。
【００４２】
制御回路１０は、上記の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の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させて直流電圧源１０５を充電する電流制御を行う。
【００４３】
＜π≦θ＜２πの場合＞
なお、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１０は、上述した０≦θ＜πの場合と同様の制御を実行する。
【００４４】
＜昇圧時の動作＞
このような動作により電力変換装置１０００の昇圧時には、図４に示すように、インバータ回路１００は、短絡期間Ｔにおいて電圧（−Ｖｉｎ）を出力して交流電源１により直流電圧源１０５を充電し、その後、θ１≦θ＜π−θ１の期間において直流電圧源１０５を放電する際、交流電源１の電圧Ｖｉｎにインバータ回路１００の出力電圧である（Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ）を加算することで、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の電圧Ｖｄｃが制御される。
【００４５】
＜降圧時の動作＞
また、電力変換装置１０００の降圧時には、図５に示すように、インバータ回路１００は、短絡期間Ｔにおいて電圧（−Ｖｉｎ）を出力して交流電源１により直流電圧源１０５を充電し、その後、交流電源１からの電圧Ｖｉｎにインバータ回路１００の出力電圧を加算することで、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の電圧Ｖｄｃが制御される。
【００４６】
交流電源１からの電圧Ｖｉｎが平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と等しくなる時の位相を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１００は電圧（Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ）を出力して直流電圧源１０５を放電し、位相範囲がθ２≦θ＜π−θ２である場合は、インバータ回路１００は電圧（Ｖｉｎ−Ｖｄｃ＊）を出力して直流電圧源１０５を充電する。
【００４７】
以上のように、制御回路１０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半導体スイッチング素子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。
【００４８】
短絡期間Ｔの位相範囲では、制御回路１０は、インバータ回路１００から電圧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になるように電流Ｉｉｎを制御してインバータ回路１００の出力を制御することで直流電圧源１０５が充電される。
【００４９】
一方、短絡期間Ｔ以外の位相範囲では、制御回路１０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になるように電流Ｉｉｎを制御してインバータ回路１００の出力を制御する。この場合、電圧Ｖｉｎの絶対値が平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊以下だと直流電圧源１０５は放電され、電圧Ｖｉｎの絶対値が目標電圧Ｖｄｃ＊を超えると直流電圧源１０５は充電される。
【００５０】
なお、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を設定しても良い。
【００５１】
また、短絡期間Ｔの位相範囲は、インバータ回路１００の直流電圧源１０５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。
【００５２】
すなわち、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の充放電エネルギーが等しいとすると、Ｖｄｃ＊がＶｐよりも小さい（Ｖｄｃ＊＜Ｖｐ）場合の降圧時には、以下の数式（１）が成り立つ。ただし、Ｖｐは電圧Ｖｉｎのピーク電圧、Ｉｐは電流Ｉｉｎのピーク電流である。
【００５３】
【数１】
2015023697.tif 000003
【００５４】
ここで、Ｖｉｎ＝Ｖｐ・ｓｉｎθ、Ｉｉｎ＝Ｉｐ・ｓｉｎθとすると、Ｖｄｃ＊は以下の数式（２）で定義される。
【００５５】
【数２】
2015023697.tif 000004
【００５６】
数式（２）より、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。
【００５７】
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により決まるので、θ１を変化させることで制御できる。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧条件について説明する。
【００６０】
直流電圧源１０５の電圧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１００の所望の発生電圧の大きさ以上に設定することで、インバータ回路１００は上述した所望の制御を信頼性良く行える。すなわち、直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂは、以下の数式（３）〜（５）を満たす必要がある。
【００６１】
【数３】
2015023697.tif 000005
【００６２】
【数４】
2015023697.tif 000006
【００６３】
【数５】
2015023697.tif 000007
【００６４】
なお、直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂは、交流電源１からの電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐ以下に設定する。
【００６５】
ＰＷＭ制御されるインバータ回路１００では、直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂが大きくなると損失が増大するため、電圧Ｖｓｕｂは上記３つの数式（３）、（４）および（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。
【００６６】
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とすることで、インバータ回路１００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できる。
【００６７】
＜制御の詳細＞
次に、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００の制御の詳細について図６に基づいて説明する。図６は、制御回路１０の構成を示すブロック図であり、これを用いてコンバータ回路３００の出力制御とインバータ回路１００の出力制御を説明する。
【００６８】
＜コンバータ回路の出力制御＞
コンバータ回路３００の出力制御において、制御回路１０はインバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御を行う。
【００６９】
制御回路１０は、差分器２００１により、設定された電圧指令値Ｖｓｕｂ＊と検出された電圧Ｖｓｕｂとの差分を取り、得られた差分電圧ΔＶｓｕｂをフィードバック量として比例積分（ＰＩ）制御器１００１に与え、比例積分した出力３１を直流電圧源１０５への電流指令値とし、ＰＷＭ制御部３３に与えてコンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０１ａおよび３０２ａに対するゲート信号１２を生成する。
【００７０】
このＰＷＭ制御部３３では、三角波生成部３２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）をキャリア波に用いて比較演算し、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１２を生成する。なお、ゲート信号１２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。
【００７１】
従って、このゲート信号１２によりコンバータ回路３００の交流端子間を短絡する短絡期間Ｔも制御され、電圧Ｖｓｕｂが低下すると短絡期間Ｔは長く、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。
【００７２】
交流電源１の電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相−θ１の位相において、制御回路１０がゲート信号１２によりコンバータ回路３００の短絡用スイッチをオフからオンさせる際、電流を制御するためには、Ｖｐ・│ｓｉｎθ１│＜Ｖｓｕｂの電圧条件を満たす必要がある。
【００７３】
ＰＷＭ制御部３３は、電流制御の観点から、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂが低下するなどして上記電圧条件を外れた場合は、短絡用スイッチがオンすることを制限する。そして、電圧Ｖｉｎの位相がゼロクロス位相に近づいて、│Ｖｉｎ│＜Ｖｓｕｂとなってから短絡用スイッチをオフからオンさせる。
【００７４】
＜インバータ回路の出力制御＞
また、インバータ回路１００の出力制御において、制御回路１０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になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【００７５】
制御回路１０は、差分器２００２により、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた差分電圧２１をフィードバック量として比例積分制御器１００２に与え、比例積分した出力を振幅目標値２２とする。この振幅目標値２２と、交流電源同期正弦波生成器２３で生成した交流電源１に同期した周波数および位相を持つ正弦波とを乗算器１００３で乗算することで、電圧Ｖｉｎに同期した正弦波の電流指令値Ｉｉｎ＊２４（第２の電流値）を生成する。
【００７６】
次に、差分器２００３により、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と図示されない電流計で検出された電流Ｉｉｎとの差分を取り、得られた差分電流２５（偏差）をフィードバック量として比例（Ｐ）制御器１００４に与え、比例制御した出力をインバータ回路１００の発生電圧の目標値となる電圧指令２６とする。
【００７７】
ここで、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と、電流Ｉｉｎとの差分電流２５は、比例制御器１００４と並列に積分器群４７にも入力される。この積分器群４７を用いた演算は、電力変換装置１０００において特徴的な構成であり、以下に、その演算について説明する。
【００７８】
差分電流２５が積分器群４７に与えられるタイミングで、積分器切り替え器４６により積分器群４７の中の積分器が一つだけが選択され、入力に対する積分演算が行われ、積分値４８として出力される。そして当該出力に対して乗算器１００５で係数Ｋを乗算することで電圧指令値の補正値４９を得る。
【００７９】
ここで、係数Ｋは、電流値として出力される積分値４８を電圧値に変換するための変換係数であり、固定値でも良いが、入力電圧値が変化した場合などの動作条件によって変更される可変値でも良い。また、乗算器１００５では制御ゲインも乗算される。
【００８０】
積分器切り替え器４６には３つの信号が入力される。その１つは、コンバータ回路３００の出力制御のためのゲート信号１２を受けてオンとオフ、すなわち短絡期間Ｔであるか否かを判定する短絡期間判定器４０の出力信号４１であり、オン、オフに対応する２値信号として与えられる。
【００８１】
また、１つは、交流電源１からの電圧Ｖｉｎを受けて、その正負の極性を判定する電圧極性判定器４２の出力信号４３であり、極性の正、負に対応する２値信号として与えられる。
【００８２】
残る１つは、電圧Ｖｉｎの勾配の正負の極性を判定する勾配極性判定器４４の出力信号４５であり極性の正、負に対応する２値信号として与えられる。
【００８３】
積分器切り替え器４６は、これらの３つの信号の組み合わせにより８パターンの切り替え信号を作り出し、積分器群４７の持つ８個の積分器の切り替えを行う。すなわち、出力信号４１〜４３の組み合わせによって電圧Ｖｉｎの正弦波形を８つの期間に分割し、そのそれぞれに対応するように積分器を割り当てることで、それぞれの期間で入力される電圧Ｖｄｃにそれぞれ含まれる異なる偏差（回路中の導通経路が異なることに起因する定常偏差）を、それぞれの積分器で積分する。これにより、電圧Ｖｉｎが周期的に入力されて制御を継続する間、８つの期間別に積分値が出力されることとなる。なお、積分器群４７の持つ積分器は８個に限定されるものではなく、２個以上であれば良い。
【００８４】
次に、加算器２００４において、電圧指令値２６に対して電圧指令値の補正値４９を加算し、制御量として補正後の電圧指令２７を得る。そして、加算器２００５において、コンバータ回路３００の交流端子間を短絡させる短絡期間Ｔの制御と、コンバータ回路３００の各交流端子と平滑コンデンサ３との間を導通させる制御、すなわち短絡期間Ｔ以外の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧△Ｖと補正後の電圧指令２７とを加算して、補正後の電圧指令２７をフィードフォワード補正した、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を得る。
【００８５】
ここで、フィードフォワード補正電圧ΔＶは、短絡期間Ｔでは交流電源１の逆極性となる交流電圧（−Ｖｉｎ）であり、短絡期間Ｔ以外の期間は平滑コンデンサ３の直流電圧と交流電源１の交流電圧との差電圧（Ｖｄｃ−Ｖｉｎ）となるように、図示されない部位で電圧Ｖｄｃおよび交流電圧Ｖｉｎに基づいて演算される。
【００８６】
これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、短絡期間Ｔ以外との切り替え時にも、入力力率がほぼ１になるように電流Ｉｉｎを制御でき、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して、高調波電流の発生を抑制できる。
【００８７】
そして、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を用いて、ＰＷＭ制御部２９によりインバータ回路１００の半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａに対するゲート信号１１を生成し、インバータ回路１００を動作させる。なお、ゲート信号１１は、電流Ｉｉｎを電流指令値Ｉｉｎ＊２４に追従させるため、交流電源１の周波数よりも十分に高い、例えば数十ｋＨｚ程度の高周波スイッチング信号である。
【００８８】
以上説明した実施の形態１の電力変換装置１０００では、電流Ｉｉｎの正負で回路の導通経路が変化するため、素子特性のバラつきによる定常偏差は電流Ｉｉｎの極性で異なっている。このため、電圧Ｖｉｎの極性によって積分器を切り替えることにより、素子特性のバラつきによる偏差を各積分器で補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【００８９】
また、電流Ｉｉｎは力率がほぼ１に制御されるため、電圧Ｖｉｎの極性によって電流Ｉｉｎの極性を容易に判定可能である。なお、電圧Ｖｉｎの極性ではなく電流Ｉｉｎの極性を用いて積分器を切り替えても良いことは言うまでもなく、同様の効果が得られる。
【００９０】
なお、例えば図６の交流電源同期正弦波のような電圧Ｖｉｎと同期するように制御回路１０で保持している信号を用いて電圧Ｖｉｎの極性を判定しても良く、これにより電圧Ｖｉｎのゼロクロス前後で極性を確実に判別することができる。
【００９１】
また、電圧Ｖｉｎのセンサが例えばオフセット誤差を持ち、交流電圧の正負の検出値がアンバランスとなってフィードフォワード補正電圧△Ｖが演算されたとしても、電圧Ｖｉｎの極性によって積分器を切り替えるため、極性別にセンサ誤差が補償され、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【００９２】
また、短絡期間Ｔとそれ以外の期間では、回路の導通経路が変化するため、素子特性のバラつきによる定常偏差は短絡用スイッチのオン・オフで異なっている。このため短絡用スイッチのオン・オフで積分器を切り替えることにより、素子特性のバラつきによる偏差を各積分器で補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【００９３】
また、短絡期間Ｔ以外の期間では、平滑コンデンサ３はバイパスされないため電圧Ｖｄｃを用いてフィードフォワード補正電圧△Ｖが演算される。この場合、電圧Ｖｄｃのセンサが誤差を持っていたとすると、短絡用スイッチのオン・オフでセンサ誤差の影響有無が変化するが、短絡用スイッチのオン・オフで積分器を切り替えることにより、センサ誤差を各積分器で補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【００９４】
また、短絡期間Ｔ以外の期間では平滑コンデンサ３に電流Ｉｉｎが流れて電圧Ｖｄｃが増加するが、この電圧Ｖｄｃの増加に伴い電流Ｉｉｎは負の定常偏差を生じる。これに対し、短絡用スイッチのオン・オフで積分器を切り替えることにより、変化する定常偏差を適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【００９５】
また、電圧Ｖｉｎはピークを境界として勾配の正負が変化するが、これにより電流Ｉｉｎの制御に生じる定常偏差の正負にも変化を生じる。そのため、電圧Ｖｉｎの勾配の極性によって積分器を切り替えることにより、変化する定常偏差を適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【００９６】
また、制御回路１０は、電流指令値Ｉｉｎ＊２４を用いてインバータ回路１００を制御することにより、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に追従させ、交流電源１の力率を改善するように制御する。
【００９７】
コンバータ回路３００は高周波スイッチングが不要であるためスイッチング損失が殆どない。また、力率を制御し平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを制御するように動作するインバータ回路１００は、スイッチングで扱う電圧Ｖｓｕｂを交流電源１のピーク電圧よりも大幅に低くできる。このため、リアクトル２に大きなインダクタンスを持たせる必要はなく、リアクトル２を小型化してもスイッチング損失およびノイズを低減でき、インバータ回路１００の素子の信頼性が向上する。
【００９８】
また、制御回路１０は、平滑コンデンサ３をバイパスする短絡期間Ｔに基づいてコンバータ回路３００を制御し、インバータ回路１００では、短絡期間Ｔにて直流電圧源１０５が充電される。このため、インバータ回路１００が高い電圧を発生させることなく電流制御可能であると共に、直流電圧源１０５に充電されたエネルギーを平滑コンデンサ３への放電に使える。このため、インバータ回路１００では、スイッチングで扱う電圧をさらに低減でき、高力率化、高効率化、低ノイズ化がさらに促進できる。
【００９９】
なお、この実施の形態１では、電力変換装置は力行動作のみ行うため、コンバータ回路３００は、直流母線間に接続されるハーフブリッジ回路の上アームの半導体スイッチング素子３０１ａは設けず、ダイオード３０１ｂのみとしても良い。また、インバータ回路１００の半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａを設けず、それぞれダイオード１０１ａ、１０４ｂのみとしても良い。
【０１００】
＜実施の形態２＞
以上説明した本発明に係る実施の形態１ではインバータ回路１００を高周波スイッチングすることより電流制御を行う構成を示したが、本発明に係る実施の形態２では、コンバータ回路３００を高周波スイッチングすることにより電流制御を行うように、電流制御方法を切り替える構成となっている。
【０１０１】
なお、装置構成は図１に示した電力変換装置１０００の構成と基本的には同じであるが、実施の形態１の制御回路１０の代わりに制御回路１０Ａを用いるので、その構成を電力変換装置２０００とする。なお、装置構成図は図１を兼用する。また、平滑コンデンサ３に直流電力を出力する力行動作についても、図２〜図５を用いて説明した動作と同じである。
【０１０２】
まず、電流制御をインバータ回路１００からコンバータ回路３００に切り替える原理について図７を用いて説明する。図７において、（ａ）部には交流電圧Ｖｉｎの電圧波形、（ｂ）部には直流コンデンサ１０５の充放電の状態を示し、（ｃ）部には半導体スイッチング素子３０２ａのオン・オフの状態、（ｄ）部には半導体スイッチング素子３０１ａのオン・オフの状態を示す。
【０１０３】
なお、電流制御を切り替える条件は、短絡期間Ｔにおいて上述した数式（３）を満たさない場合、または短絡期間Ｔ以外において数式（４）および（５）を満たさない場合である。
【０１０４】
実施の形態２では、短絡期間Ｔに数式（３）を満たさない場合に電流制御を切り替えるものとして説明する。
【０１０５】
図７においては、数式（２）で定められたθ１について短絡期間Ｔで数式（３）を満たさない場合を示しており、θ１に代わって数式（３）を満たす新たなθ３を算出する。位相範囲０〜θ３では半導体スイッチング素子３０２ａをＯＮとして、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５を充電する。
【０１０６】
次に、数式（１）より、左辺のθ１にθ３を代入し、インバータ回路１００の充放電エネルギーの条件式を満たすように、右辺のθ１をθ４として、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５の放電開始位相θ４を求める。
【０１０７】
位相範囲θ４〜π／２では半導体スイッチング素子３０２ａはオフとなり、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５は放電する。新しく設定した位相範囲θ３〜θ４間ではインバータ回路１００は０を出力し、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０２ａを高周波スイッチングさせて電流制御を行う。この際に半導体スイッチング素子３０１ａはオフである。なお、直流コンデンサ１０５では位相範囲θ３〜θ４間では０を出力しており、充放電を行わない。
【０１０８】
このように、インバータ回路１００による電流制御が成立しない場合には、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５の充放電が釣り合うように位相範囲０〜θ３、θ４〜π／２を設定し、位相範囲θ３〜θ４の期間はコンバータ回路３００の高周波スイッチングにより電流制御を行う。これにより、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５の電圧Ｖｓｕｂは一定に保たれ、また電流制御性を損なうことなく、入力電流の力率は１に制御される。
【０１０９】
＜制御の詳細＞
次に、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００の制御の詳細について図８を用いて説明する。図８は、実施の形態２における制御回路１０Ａの構成を示すブロック図であり、これを用いてコンバータ回路３００の出力制御とインバータ回路１００の出力制御を説明する。
【０１１０】
＜コンバータ回路の出力制御＞
まず、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御について説明する。
【０１１１】
制御回路１０Ａは、差分器２００１により、設定された電圧指令値Ｖｓｕｂ＊と検出された電圧Ｖｓｕｂとの差分を取り、得られた差分電圧ΔＶｓｕｂをフィードバック量として比例積分（ＰＩ）制御器１００１に与え、比例積分した出力３１を直流電圧源１０５への電流指令値とし、ＰＷＭ制御部３３に与えてコンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０１ａおよび３０２ａに対する暫定のゲート信号１２ａを生成する。
【０１１２】
このＰＷＭ制御部３３では、三角波生成部３２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）をキャリア波に用いて比較演算し、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暫定のゲート信号１２ａを生成し、ゲート信号生成器５４へ入力する。
【０１１３】
次に、θ３・θ４演算器５０において上述した位相θ３およびθ４を演算する。θ３・θ４演算器５０は、電圧Ｖｉｎ、電圧Ｖｄｃ、電圧Ｖｓｕｂおよび電圧Ｖｓｕｂの追従制御で演算されたゲート信号１２ａ（すなわちθ１）を入力として、まず、数式（３）からθ３を求めて出力する。また、θ３と数式（１）からθ４の暫定値を求めて信号５１として出力するが、この信号５１に対して、比例積分制御器１００１の出力３１を加算器２００６で加算することにより直流電圧源１０５の放電期間を微調整し、これをθ４とする。なお、θ１が数式（３）を満足する場合は、θ３とθ４は同値として出力し、コンバータ回路３００で電流制御する期間は設けない。
【０１１４】
＜インバータ回路の出力制御＞
また、インバータ回路１００の出力制御において、制御回路１０Ａ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になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【０１１５】
制御回路１０Ａは、差分器２００２により、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた差分電圧２１をフィードバック量として比例積分制御器１００２に与え、比例積分した出力を振幅目標値２２とする。この振幅目標値２２と、交流電源同期正弦波生成器２３で生成した交流電源１に同期した周波数および位相を持つ正弦波とを乗算器１００３で乗算することで、電圧Ｖｉｎに同期した正弦波の電流指令値Ｉｉｎ＊２４を生成する。
【０１１６】
次に、差分器２００３により、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と図示されない電流計で検出された電流Ｉｉｎとの差分を取り、得られた差分電流２５をフィードバック量として比例（Ｐ）制御器１００４に与え、比例制御した出力をインバータ回路１００の発生電圧の目標値となる電圧指令値２６とする。
【０１１７】
ここで、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と、電流Ｉｉｎとの差分電流２５は、比例制御器１００４と並列に積分器群４７にも入力される。この積分器群４７を用いた演算は、電力変換装置２０００において特徴的な構成であり、以下に、その演算について説明する。
【０１１８】
差分電流２５が積分器群４７に与えられるタイミングで、積分器切り替え器４６により積分器群４７の中の積分器が一つだけが選択され、入力に対する積分演算が行われ、積分値４８として出力される。そして当該出力に対して乗算器１００５で係数Ｋを乗算することで電圧指令値の補正値４９を得る。
【０１１９】
積分器切り替え器４６には３つの信号が入力される。１つは電圧極性判定器４２の出力信号４３、また１つは勾配極性判定器４４の出力信号４５であり、これらは実施の形態１と同様の信号である。
【０１２０】
残る１つは、位相判定器５２の出力信号５３であり、これは電流の制御方式が変化する３つの位相が判定されて出力される。
【０１２１】
位相判定器５２には、θ３・θ４演算器５０から位相θ３が入力され、加算器２００６から位相θ４が入力され、交流電源１からの電圧Ｖｉｎが入力され、半導体スイッチング素子３０２ａがオンされる０〜θ３の短絡期間Ｔであるか、半導体スイッチング素子３０２ａがオフされるθ４〜π／２の短絡期間Ｔ以外の期間であるか、電流制御のため半導体スイッチング素子３０２ａがオン・オフ制御されるθ３〜θ４の期間であるかを判定する。
【０１２２】
積分器切り替え器４６はこれらの信号の組み合わせにより１２パターンの切り替え信号を作り出し、積分器群４７の持つ１２個の積分器の切り替えを行う。この積分器の切り替えの意図するところは実施の形態１と同じであるが、位相θ３、θ４を導入したことで電圧Ｖｉｎの正弦波形を１２の期間に分割するので、積分器群４７は１２個の積分器を持つことになる。
【０１２３】
次に、加算器２００４において、電圧指令値２６に対して電圧指令値の補正値４９を加算し、補正後の電圧指令２７を得る。そして、コンバータ回路３００の交流端子間を短絡させる短絡期間Ｔの制御と、コンバータ回路３００の各交流端子と平滑コンデンサ３との間を導通させる制御、すなわち短絡期間Ｔ以外の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧△ＶをＦＦ電圧生成器５５によって生成し、加算器２００５により補正後の電圧指令２７を加算して、補正後の電圧指令２７をフィードフォワード補正した、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を得る。
【０１２４】
ここで、フィードフォワード補正電圧ΔＶは、短絡期間Ｔでは交流電源１の逆極性となる交流電圧（−Ｖｉｎ）であり、短絡期間Ｔ以外の期間は平滑コンデンサ３の直流電圧と交流電源１の交流電圧との差電圧（Ｖｄｃ−Ｖｉｎ）となるように、ＦＦ電圧生成器５５によって生成される。
【０１２５】
これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、短絡期間Ｔ以外との切り替え時にも、入力力率がほぼ１になるように電流Ｉｉｎを制御でき、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して、高調波電流の発生を抑制できる。
【０１２６】
そして、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を用いて、ＰＷＭ制御部２９により半導体スイッチング素子の暫定のゲート信号１１ａを生成し、ゲート信号生成器５４に入力する。
【０１２７】
ゲート信号生成器５４は、入力された暫定のゲート信号１１ａおよび１２ａと、位相θ３およびθ４の条件に基づいて各半導体スイッチング素子のゲート信号１１、および２を生成する。
【０１２８】
なお、現在の位相が０〜θ３、θ４〜π／２の位相範囲にあれば、暫定のゲート信号１１ａおよび１２ａは、それぞれゲート信号１１および１２として出力される。
【０１２９】
また、現在の位相がθ３〜θ４の位相範囲にある場合、通常はインバータ回路１００のゲート信号となる暫定のゲート信号１１ａのＰＷＭ信号を、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０２ａのゲート信号に変換し、ゲート信号１２として出力すると共に、インバータ回路１００の出力を０とするゲート信号１１を出力する。
【０１３０】
なお、ここでは位相θ３、θ４は０〜π／２の範囲で説明しているが、π／２〜πの期間はπ／２を対称とした動作となり、π〜２πの期間は０〜πと同様である。
【０１３１】
以上説明した実施の形態２の電力変換装置２０００では、コンバータ回路３００の短絡期間に数式（３）に示す電流制御の成立条件が成り立たない場合でも、電流制御をインバータ回路１００からコンバータ回路３００に切り替えることで、高周波スイッチングによる電流制御を継続することができる。
【０１３２】
また、コンバータ回路３００に電流制御を切り替える場合のコンバータ回路３００の電流制御期間は、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５の充放電量が等しくなることを前提に設定しているため、インバータ回路１００の直流コンデンサ１０５は一定に制御される。従って、変換器の耐圧を上げることなく、変換器を小型化することができる。また電流制御を継続できることで、装置の信頼性も向上する。
【０１３３】
また、電流制御をインバータ回路１００からコンバータ回路３００に切り替えている期間は、ＰＷＭ制御で導通する電流経路がその他の期間とは異なっており、導通するスイッチング素子の変化によって生じる定常偏差も変化する。そのため、電流制御の切り替わりに同期して積分器を切り替えることにより、変化する定常偏差を適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０１３４】
また、制御回路１０Ａは、実施の形態１と同様に、所定条件ごとに積分器を切り替えることにより、所定条件で異なる定常偏差をそれぞれ適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０１３５】
なお、実施の形態２では、数式（３）に示す条件が成り立たない場合にコンバータ回路３００によって電流制御する期間に対応する積分器を設けて演算する構成を示したが、数式（４）の条件が成り立たない場合にコンバータ回路３００によって電流制御する期間に対応する積分器を設けて演算する構成としても良い。
【０１３６】
＜実施の形態３＞
以上説明した実施の形態１および２では電力変換装置の入力にダイオードブリッジを備え、力行機能のみ備えた電力変換装置について説明したが、本発明に係る実施の形態３では、力行および回生機能を備えた電力変換装置の構成について説明する。
【０１３７】
図９は、本発明に係る実施の形態３の電力変換装置３０００の概略構成を示す図である。図９に示すように、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と、制御回路１０Ｂとを備えている。主回路は、限流回路を構成するリアクトル２と、インバータ回路１００と、コンバータ回路３００Ａと、平滑コンデンサ３とを備えている。なお、図１に示した電力変換装置１０００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１３８】
交流電源１は電力変換装置３０００の入力端子ｔ１と入力端子ｔ２の間に接続され、入力端子ｔ１はリアクトル２に接続され、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１００に直列に接続される構成となっている。
【０１３９】
コンバータ回路３００Ａは、前段、後段の２つブリッジ回路を有し、前段側の交流端子がインバータ回路１００の交流出力線に接続され、後段側の交流端子が入力端子ｔ２に接続され、コンバータ回路３００Ａ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。
【０１４０】
コンバータ回路３００Ａは、直流母線３ａ、３ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子３０１ａおよび３０２ａと、同じく直流母線３ａ、３ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子３０３ａおよび３０４ａとを備え、半導体スイッチング素子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が、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０１４１】
インバータ回路１００の交流出力線には、コンバータ回路３００の半導体スイッチング素子３０１ａのソース（エミッタ）と半導体スイッチング素子３０２ａのドレイン（コレクタ）との接続点が接続されている。また、半導体スイッチング素子３０３ａのソース（エミッタ）と半導体スイッチング素子３０４ａのドレイン（コレクタ）との接続点は、入力端子ｔ２を介して交流電源１に接続されている。
【０１４２】
なお、半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａ、３０１ａ〜３０４ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を用いても良く、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。
【０１４３】
また、リアクトル２は、インバータ回路１００とコンバータ回路３００Ａの間や、コンバータ回路３００Ａと入力端子ｔ２の間に直列接続しても良い。また、コンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａの代わりに機械式スイッチを用いても良い。
【０１４４】
また、電力変換装置３０００は、インバータ回路１００の直流電圧源１０５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、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および交流電流Ｉｉｎを測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【０１４５】
制御回路１０Ｂは、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂと、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃと、電力変換装置１０００の入力端子ｔ１、ｔ２間へ印加される入力電圧Ｖｉｎ、入力端子に流れる入力電流Ｉｉｎとに基づいて、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが一定の目標電圧Ｖｄｃ＊になるように、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００Ａ内の半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａ、３０１ａ〜３０４ａに与えるゲート信号１１、１２を生成して、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００Ａの出力制御を行う。
【０１４６】
平滑コンデンサ３には図示しない負荷が接続され、通常時は電圧Ｖｄｃは目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低く、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１００およびコンバータ回路３００Ａの出力制御を行う。
【０１４７】
＜力行動作＞
このように構成される電力変換装置３０００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１０〜図１３に基づいて説明する。
【０１４８】
なお、電力変換装置３０００の出力段である平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐより高い場合を昇圧と称し、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが、交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐより低い場合を降圧と称す。
【０１４９】
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。
【０１５０】
＜０≦θ＜πの場合＞
インバータ回路１００では、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を充電するように電流が流れ、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を放電するように電流が流れる。
【０１５１】
また、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオフ状態の場合、および半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５をスルーして電流が流れる。
【０１５２】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせで半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａを制御して、インバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５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。
【０１５３】
なお、各半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａに流れる電流が、ソース（エミッタ）からドレイン（コレクタ）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１０１ｂ〜１０４ｂに電流を流すように制御しても良い。
【０１５４】
図１０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１００に入力される。インバータ回路１００の出力はコンバータ回路３００Ａ内のダイオード３０１ｂを介して平滑コンデンサ３を充電し、ダイオード３０４ｂを経て交流電源１に戻る。この場合、制御回路１０Ｂは、上記の４種の制御の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を放電、あるいは充電することで電流制御を行う。
【０１５５】
交流電源１からの電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相を中央として、±θ１の位相範囲（短絡期間Ｔ）では、図１１に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００Ａの制御において短絡用スイッチとなる半導体スイッチング素子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。この時、コンバータ回路３００Ａ内の他の半導体スイッチング素子３０１ａ、３０３ａおよび３０４ａをオフさせる。
【０１５６】
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１００に入力されて直流電圧源１０５を充電した後、コンバータ回路３００Ａ内の半導体スイッチング素子３０２ａおよびダイオード３０４ｂを経て交流電源１に戻る。
【０１５７】
このとき、制御回路１０Ｂは、上記の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の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させて直流電圧源１０５を充電することで電流制御を行う。
【０１５８】
＜π≦θ＜２πの場合＞
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１００では、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を充電するように電流が流れ、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を放電するように電流が流れる。
【０１５９】
また、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオフ状態の場合、および半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５をスルーして電流が流れる。
【０１６０】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせで半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａを制御して、インバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充放電させ、電流制御を行う。
【０１６１】
図１２に示すように、交流電源１からの電流は、コンバータ回路３００Ａ内のダイオード３０３ｂを通り、平滑コンデンサ３を充電し、ダイオード３０２ｂを経てインバータ回路１００に入力され、インバータ回路１００の出力はリアクトル２を経て交流電源１に戻る。
【０１６２】
制御回路１０Ｂは、上記の４種の制御の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を放電、あるいは充電することで電流制御を行う。
【０１６３】
短絡期間Ｔでは、図１３に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００Ａの制御において短絡用スイッチとなる半導体スイッチング素子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。
【０１６４】
この時、コンバータ回路３００内の他の半導体スイッチング素子３０１ａ、３０２ａ、および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の半導体スイッチング素子３０４ａ、ダイオード３０２ｂを経てインバータ回路１００に入力され、直流電圧源１０５を充電してリアクトル２を経て交流電源１に戻る。
【０１６５】
制御回路１０Ｂは、上記の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の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充電させ、電流制御を行う。
【０１６６】
なお、以上の説明では、コンバータ回路３００Ａの制御において、制御回路１０Ｂが半導体スイッチング素子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、該ダイオード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良い。
【０１６７】
すなわち、電圧Ｖｉｎが正負、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良く、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良い。
【０１６８】
以上説明したように、力行動作では、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半導体スイッチング素子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。
【０１６９】
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１００から電圧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になるように電流Ｉｉｎを制御してインバータ回路１００の出力を制御することで直流電圧源１０５が充電される。
【０１７０】
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になるように電流Ｉｉｎを制御してインバータ回路１００の出力を制御する。この場合、電圧Ｖｉｎの絶対値が平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊以下だと直流電圧源１０５は放電され、電圧Ｖｉｎの絶対値が目標電圧Ｖｄｃ＊を超えると直流電圧源１０５は充電される。
【０１７１】
なお、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を設定しても良い。
【０１７２】
＜回生動作＞
次に、電力変換装置３０００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１４〜図１７を用いて説明する。
【０１７３】
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。
【０１７４】
＜０≦θ＜πの場合＞
インバータ回路１００では、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を放電するように電流が流れ、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を充電するように電流が流れる。
【０１７５】
また、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオフ状態の場合、および半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５をスルーして電流が流れる。
【０１７６】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせで半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａを制御して、インバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充放電させ、インバータ回路１００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。
【０１７７】
なお、半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａに流れる電流が、ソース（エミッタ）からドレイン（コレクタ）に流れる場合は、その半導体スイッチング素子をオフして、それぞれに逆並列接続されたダイオード１０１ｂ〜１０４ｂ側に電流を流しても良い。
【０１７８】
図１４に示すように、コンバータ回路３００Ａ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３００Ａの半導体スイッチング素子３０１ａを通りインバータ回路１００に入力され、インバータ回路１００からの電流はリアクトル２を経て入力端子ｔ１から交流電源１に回生され、さらに入力端子ｔ２からコンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０４ａを経て平滑コンデンサ３の負極に戻る。
【０１７９】
制御回路１０Ｂは、上記の４種の制御の組み合わせでインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充電、あるいは放電させて電流制御を行う。直流電圧源１０５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１０５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。
【０１８０】
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１５に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００Ａの短絡用スイッチとなる半導体スイッチング素子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。
【０１８１】
インバータ回路１００からの電流はリアクトル２を経て入力端子ｔ１から交流電源１に回生され、さらに入力端子ｔ２からコンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０４ａ、ダイオード３０２ｂを経てインバータ回路１００に戻る。
【０１８２】
制御回路１０Ｂは、直流電圧源１０５を放電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を放電させ、電流制御を行う。
【０１８３】
＜π≦θ＜２πの場合＞
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１００では、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を放電するように電流が流れ、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０４ａがオン状態、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５を充電するように電流が流れる。
【０１８４】
また、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオフ状態の場合、および半導体スイッチング素子１０２ａ、１０４ａがオン状態で、半導体スイッチング素子１０１ａ、１０３ａがオフ状態の場合には、直流電圧源１０５をスルーして電流が流れる。
【０１８５】
制御回路１０Ｂは、このような４種の制御の組み合わせで半導体スイッチング素子１０１ａ〜１０４ａを制御して、インバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充放電させ、インバータ回路１００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。
【０１８６】
図１６に示すように、コンバータ回路３００Ａでは、半導体スイッチング素子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の半導体スイッチング素子３０３ａを経て入力端子ｔ２から交流電源１に回生され、さらに入力端子ｔ１からリアクトル２を経てインバータ回路１００に入力され、インバータ回路１００からの電流はコンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０２ａを経て平滑コンデンサ３の負極に戻る。
【０１８７】
制御回路１０Ｂは、上記の４種の制御の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を充電、あるいは放電させて、電流制御を行う。
【０１８８】
直流電圧源１０５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１０５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。
【０１８９】
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１７に示すように、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００Ａの短絡用スイッチとなる半導体スイッチング素子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。
【０１９０】
インバータ回路１００からの電流はコンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０２ａ、ダイオード３０４ｂを経て入力端子ｔ２から交流電源１に回生され、さらに入力端子ｔ１からリアクトル２を経てインバータ回路１００に戻る。
【０１９１】
制御回路１０Ｂは、直流電圧源１０５を放電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりインバータ回路１００をＰＷＭ動作させることで直流電圧源１０５を放電させ、電流制御を行う。
【０１９２】
なお、制御回路１０Ｂは、コンバータ回路３００Ａの制御において、電圧Ｖｉｎが正負、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良く、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良い。
【０１９３】
以上説明したように、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３００Ａ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。
【０１９４】
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１００から電圧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）になるように電流Ｉｉｎを制御してインバータ回路１００を出力制御し、直流電圧源１０５は放電される。
【０１９５】
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）になるように電流Ｉｉｎを制御してインバータ回路１００の出力制御を行う。
【０１９６】
この場合、電圧Ｖｉｎの絶対値が平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊以下だと直流電圧源１０５は充電され、電圧Ｖｉｎの絶対値が目標電圧Ｖｄｃ＊を超えると直流電圧源１０５は放電される。
【０１９７】
なお、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を設定しても良い。
【０１９８】
＜制御の詳細＞
次に、インバータ回路１００およびコンバータ回路３００Ａの制御の詳細について図１８に基づいて説明する。図１８は、制御回路１０Ｂの構成を示すブロック図であり、これを用いてコンバータ回路３００Ａの出力制御とインバータ回路１００の出力制御を説明する。
【０１９９】
＜コンバータ回路の出力制御＞
コンバータ回路３００Ａの出力制御において、制御回路１０Ｂはインバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御を行う。
【０２００】
まず、実施の形態１の制御回路１０と同様に、制御回路１０Ｂは、差分器２００１により、設定された電圧指令値Ｖｓｕｂ＊と検出された電圧Ｖｓｕｂとの差分を取り、得られた差分電圧ΔＶｓｕｂをフィードバック量として比例積分制御器１００１に与え、比例積分した出力３１を、力行・回生選択器３４に入力する。力行・回生選択器３４には、比例積分制御器１００１の出力３１を極性反転器１００７で極性反転した信号３１ａも入力される。力行・回生選択器３４は、力行動作時には出力３１を、回生動作時には信号３１ａを選択して出力する。
【０２０１】
力行・回生選択器３４の出力は、直流電圧源１０５への電圧指令としてＰＷＭ制御部３３に与えて、コンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａに対するゲート信号１２を生成する。
【０２０２】
このＰＷＭ制御部３３では、三角波生成部３２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）をキャリア波に用いて比較演算し、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１２を生成する。ゲート信号１２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。
【０２０３】
従って、このゲート信号１２によりコンバータ回路３００Ａの交流端子間を短絡する短絡期間Ｔも制御され、力行動作時には、電圧Ｖｓｕｂが低下すると短絡期間Ｔは長く、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、電圧Ｖｓｕｂが低下すると短絡期間Ｔは短く、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。
【０２０４】
また、交流電源１の電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相−θ１において、制御回路１０Ｂがゲート信号１２によりコンバータ回路３００Ａの短絡用スイッチをオフからオンさせる際、電流を制御するためには、Ｖｐ・│ｓｉｎθ１│＜Ｖｓｕｂの電圧条件を満たす必要がある。
【０２０５】
ＰＷＭ制御部３３は、電流制御の観点から、インバータ回路１００の直流電圧源１０５の電圧Ｖｓｕｂが低下するなどして上記電圧条件を外れると、短絡用スイッチがオンすることを制限する。そして、電圧Ｖｉｎの位相がゼロクロス位相に近づいて、│Ｖｉｎ│＜Ｖｓｕｂとなってから短絡用スイッチをオフからオンさせる。
【０２０６】
＜インバータ回路の出力制御＞
また、インバータ回路１００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、また交流電源１の力率が、力行動作時にはほぼ１に、回生動作時にはほぼ（−１）になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【０２０７】
制御回路１０Ｂは、差分器２００２により、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた差分電圧２１をフィードバック量として比例積分制御器１００２に与え、比例積分した出力を振幅目標値２２とする。この振幅目標値２２と、交流電源同期正弦波生成器２３で生成した交流電源１に同期した周波数および位相を持つ正弦波とを乗算器１００３で乗算することで、電圧Ｖｉｎに同期した正弦波の電流指令値Ｉｉｎ＊２４を生成する。
【０２０８】
この場合、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと目標電圧Ｖｄｃ＊との差分電圧２１の極性が、力行と回生とで反転するため、制御回路１０Ｂは、力行および回生のいずれの動作においても、実施の形態１と同様にインバータ回路１００を高周波スイッチング制御することで電流制御できる。
【０２０９】
以降の電流指令値Ｉｉｎ＊２４に対するフィードバック制御に関しては実施の形態１と同様であるので説明は省略するが、回生動作においては力率がほぼ（−１）となるよう制御されるという点が加わっているだけである。
【０２１０】
以上説明した実施の形態３の電力変換装置３０００では、力行動作では平滑コンデンサ３が所望の電圧になるよう直流電力を出力し、平滑コンデンサ３の電圧が所定の電圧分上昇すると回生動作に移行して交流電源１に電力を回生する。
【０２１１】
このため、平滑コンデンサ３に例えば電動機制御用のインバータ等を接続すると、電動機が減速する際に電力が平滑コンデンサ３に戻り、平滑コンデンサ３の電圧が上昇した場合には、回生動作に移行して平滑コンデンサ３の電力を交流電源１に回生することになるので、平滑コンデンサ３は所望の電圧に安定的に制御することができる。
【０２１２】
また、制御回路１０Ｂは、回生動作においても、実施の形態１、２と同様に、所定条件ごとに積分器を切り替えることにより、所定条件で異なる定常偏差をそれぞれ適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０２１３】
なお、インバータ回路１００の構成は、上記実施の形態１〜３に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以上直列接続して構成されるものあれば、同様の効果を奏する。
【０２１４】
＜実施の形態４＞
図１９は、本発明に係る実施の形態４の電力変換装置４０００の概略構成を示す図である。図１９に示すように、電力変換装置４０００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と、制御回路１０Ｃとを備えている。主回路は、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とを備えている。
【０２１５】
交流電源１は電力変換装置３０００の入力端子ｔ１（第１の入力端子）と入力端子ｔ２（第２の入力端子）の間に接続され、入力端子ｔ１およびｔ２はダイオードブリッジ４に接続され、ダイオードブリッジ４の一方の出力端子がリアクトル２に接続され、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構成となっている。
【０２１６】
インバータ回路４００は、ＭＯＳＦＥＴ等の２個の半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａ、および直流コンデンサ４０３で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り、両者は直列に接続され、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。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。なお、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が、これらのダイオードは、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良い。また、半導体スイッチング素子４０１ａを省略して、ダイオード４０１ｂのみで構成しても良い。
【０２１７】
コンバータ回路５００は、ＭＯＳＦＥＴ等の２個の半導体スイッチング素子５０１ａ、５０２ａで構成されている。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、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。なお、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。なお、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が、これらのダイオードは、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良い。また、半導体スイッチング素子５０１ａを省略して、ダイオード５０１ｂのみで構成してもよい。
【０２１８】
なお、半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａ、５０１ａ、５０２ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ等を用いても良く、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。
【０２１９】
また、電力変換装置４０００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、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および交流電流Ｉｉｎを測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【０２２０】
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間へ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、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１１、１２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。
【０２２１】
より具体的には、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。
【０２２２】
平滑コンデンサ３には図示しない負荷が接続され、通常時には、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。
【０２２３】
＜動作＞
このように構成される電力変換装置４０００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２０〜図２３に基づいて説明する。
【０２２４】
図２０〜図２３は電流経路図を示し、電流が流れる経路を太線で示している。また、図２４は、電力変換装置４０００の動作を説明する各部の波形とインバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の充放電動作を示す図である。図２４において、（ａ）部には交流電圧Ｖｉｎの電圧波形、（ｂ）部には半導体スイッチング素子５０２ａのオン・オフの状態、（ｃ）部には直流コンデンサ４０３の充放電の状態を示す。
【０２２５】
なお、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２４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。
【０２２６】
このように制御回路１０Ｃは、平滑コンデンサ３の直流電圧の目標電圧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。
【０２２７】
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、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、単に電流制御とする。
【０２２８】
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。なお、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、上述した０≦θ＜πの場合と同様の制御を実行する。
【０２２９】
＜０≦θ＜πの場合＞
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２０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。
【０２３０】
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２１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。
【０２３１】
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２２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。
【０２３２】
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２３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。
【０２３３】
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で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制御することで直流コンデンサ４０３を充放電させ、電流制御を行う。
【０２３４】
なお、半導体スイッチング素子４０１ａ、５０１ａに流れる電流が、ソース（エミッタ）からドレイン（コレクタ）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良い。
【０２３５】
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（θ＝０、π）を中央とした±θ１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。
【０２３６】
この場合、図２０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２０の動作モードによってリアクトル２が励磁されるが、図２１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。
【０２３７】
また、図２０の動作モードの場合は、直流コンデンサ４０３をスルーし、図２１の動作モードの場合は、直流コンデンサ４０３が充電される。従って、図２０の動作モードと図２１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。
【０２３８】
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へ直流電力を出力する。
【０２３９】
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。
【０２４０】
この場合、インバータ回路４００は、電圧（Ｖｄｃ＊−Ｖｉｎ）を出力し、図２２の動作モードと図２３の動作モードとを繰り返すことによって、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。
【０２４１】
インバータ回路４００では、図２２の動作モードによってリアクトル２が励磁され、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。
【０２４２】
また、図２２の動作モードの場合、直流コンデンサ４０３が放電され、図２３の動作モードの場合、直流コンデンサ４０３をスルーする。従って、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、電流制御を行うことができる。
【０２４３】
以上説明したように、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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
なお、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良い。
【０２４８】
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。
【０２４９】
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、以下の数式（６）が成り立つ。ただし、Ｖｐは電圧Ｖｉｎのピーク電圧、Ｉｐは電流Ｉｉｎのピーク電流である。
【０２５０】
【数６】
2015023697.tif 000008
【０２５１】
ここで、Ｖｉｎ＝Ｖｐ・ｓｉｎθ、Ｉｉｎ＝Ｉｐ・ｓｉｎθとすると、Ｖｄｃ＊は以下の数式（７）で定義される。
【０２５２】
【数７】
2015023697.tif 000009
【０２５３】
数式（７）より、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。
【０２５４】
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７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。
【０２５５】
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。
【０２５６】
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。
【０２５７】
なお、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂは、以下の数式（８）および（９）を満たす必要がある。
【０２５８】
【数８】
2015023697.tif 000010
【０２５９】
【数９】
2015023697.tif 000011
【０２６０】
なお、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂは、交流電源１からの電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐ以下に設定する。
【０２６１】
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の電圧Ｖｓｕｂは、上記２つの数式（８）、（９）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。
【０２６２】
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とで、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。
【０２６３】
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Ｖｄｃ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。
【０２６４】
なお、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（エミッタ）からドレイン（コレクタ）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良い。
【０２６５】
＜制御の詳細＞
次に、インバータ回路４００およびコンバータ回路５００の制御の詳細について図２５に基づいて説明する。図２５は、制御回路１０Ｃの構成を示すブロック図であり、これを用いてコンバータ回路５００の出力制御とインバータ回路４００の出力制御を説明する。
【０２６６】
＜コンバータ回路の出力制御＞
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の電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御を行う。
【０２６７】
制御回路１０は、差分器２００１により、設定された電圧指令値Ｖｓｕｂ＊と検出された電圧Ｖｓｕｂとの差分を取り、得られた差分電圧ΔＶｓｕｂをフィードバック量として比例積分制御器１００１に与え、比例積分した出力３１を直流コンデンサ４０３への電流指令値とし、ＰＷＭ制御部３３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および５０２ａに対するゲート信号１２を生成する。
【０２６８】
このＰＷＭ制御部３３では、三角波生成部３２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）をキャリア波に用いて比較演算し、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１２を生成する。ゲート信号１２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。
【０２６９】
従って、このゲート信号１２によりコンバータ回路５００の交流端子間を短絡する短絡期間も制御され、電圧Ｖｓｕｂが低下すると短絡期間は長く、電圧Ｖｓｕｂが増加すると短絡期間は短くなるように制御される。
【０２７０】
＜インバータ回路の出力制御＞
また、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になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【０２７１】
制御回路１０Ｃは、差分器２００２により、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた差分電圧２１をフィードバック量として比例積分制御器１００２に与え、比例積分した出力を振幅目標値２２とする。この振幅目標値２２と、交流電源同期正弦波生成器２３で生成した交流電源１に同期した周波数および位相を持つ正弦波とを乗算器１００３で乗算することで、電圧Ｖｉｎに同期した正弦波の電流指令値Ｉｉｎ＊２４を生成する。
【０２７２】
次に、差分器２００３により、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と図示されない電流計で検出された電流Ｉｉｎとの差分を取り、得られた差分電流２５をフィードバック量として比例制御器１００４に与え、比例制御した出力をインバータ回路１００の発生電圧の目標値となる電圧指令値２６とする。
【０２７３】
ここで、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と、電流Ｉｉｎとの差分電流２５は、比例制御器１００４と並列に積分器群４７にも入力される。この積分器群４７を用いた演算は、電力変換装置４０００において特徴的な構成であり、以下に、その演算について説明する。
【０２７４】
差分電流２５が積分器群４７に与えられるタイミングで、積分器切り替え器４６により積分器群４７の中の積分器が一つだけが選択され、入力に対する積分演算が行われ、積分値４８として出力される。そして当該出力に対して乗算器１００５で係数Ｋを乗算することで電圧指令値の補正値４９を得る。
【０２７５】
ここで、係数Ｋは、電流値として出力される積分値４８を電圧値に変換するための変換係数であり、固定値でも良いが、入力電圧値が変化した場合などの動作条件によって変更される可変値でも良い。また、乗算器１００５では制御ゲインも乗算される。
【０２７６】
積分器切り替え器４６には２つの信号が入力される。その１つは、コンバータ回路３００の出力制御のためのゲート信号１２を受けてオンとオフ、すなわち短絡期間であるか否かを判定する短絡期間判定器４０の出力信号４１であり、オン、オフに対応する２値信号として与えられる。
【０２７７】
もう１つは、交流電源１からの電圧Ｖｉｎを受けて、その正負の極性を判定する電圧極性判定器４２の出力信号４３であり、極性の正、負に対応する２値信号として与えられる。
【０２７８】
積分器切り替え器４６は、これらの２つの信号の組み合わせにより４パターンの切り替え信号を作り出し、積分器群４７の持つ４個の積分器の切り替えを行う。
【０２７９】
次に、加算器２００４において、電圧指令値２６に対して電圧指令値の補正値４９を加算し、補正後の電圧指令２７を得る。そして、加算器２００５において、コンバータ回路５００の半導体スイッチング素子５０２ａをオン状態とする短絡期間の制御と、コンバータ回路５００の半導体スイッチング素子５０２ａをオフ状態とする短絡期間以外の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧△Ｖを加算して、補正後の電圧指令２７をフィードフォワード補正した、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を得る。
【０２８０】
ここで、フィードフォワード補正電圧ΔＶは、短絡期間では交流電源１の逆極性となる交流電圧（−Ｖｉｎ）であり、短絡期間以外の期間は平滑コンデンサ３の直流電圧と交流電源１の交流電圧との差電圧（Ｖｄｃ−Ｖｉｎ）となるように、図示されない部位で電圧Ｖｄｃおよび交流電圧Ｖｉｎに基づいて演算される。
【０２８１】
これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、短絡期間以外との切り替え時にも、入力力率がほぼ１になるように電流Ｉｉｎを制御でき、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して、高調波電流の発生を抑制できる。
【０２８２】
そして、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を用いて、ＰＷＭ制御部２９によりインバータ回路４００の半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａに対するゲート信号１１を生成し、インバータ回路４００を動作させる。なお、ゲート信号１１は、電流Ｉｉｎを電流指令値Ｉｉｎ＊２４に追従させるため、交流電源１の周波数よりも十分に高い、例えば数十ｋＨｚ程度の高周波スイッチング信号である。
【０２８３】
以上説明した実施の形態４の電力変換装置４０００では、このような電流指令値２８を用いてインバータ回路４００を制御することによって、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に追従させ、交流電源１からの入力力率を改善するように制御して出力し、インバータ回路４００の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。
【０２８４】
このような制御によって、コンバータ回路５００の半導体スイッチング素子５０１ａおよび５０２ａには、高周波スイッチングが不要となる。
【０２８５】
また、インバータ回路４００は、半導体スイッチング素子のスイッチングで扱う電圧を交流電源１のピーク電圧よりも大幅に低減することができる。このため、リアクトル２への電圧急変防止が可能となり、従来は限流のために必要であった大きなインダクタンスを持たせる必要はなく、リアクトル２を小型化してもスイッチング損失とノイズを低減することができる。
【０２８６】
また、半導体スイッチング素子５０２ａがオン状態の場合、平滑コンデンサ３をバイパスしてインバータ回路４００の直流コンデンサ４０３を充電できるため、インバータ回路４００に高い電圧を発生させることなく交流電源１に交流電流Ｉｉｎを流すことができると共に、充電されたエネルギーを平滑コンデンサ３の放電に使うことができる。
【０２８７】
このため、半導体スイッチング素子のスイッチングで扱う電圧をさらに低減でき、高力率化、高効率化、低ノイズ化がさらに促進できる。なお、この場合のリアクトル２は、エネルギーを貯めるものではなく、電流を制限する限流回路として動作し、電流制御の信頼性が向上する。
【０２８８】
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、交流電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐ以下に設定することによって、このような高効率化、低ノイズ化の効果を確実に得ることができる。
【０２８９】
また、インバータ回路４００を２つの半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａと、直流コンデンサ４０３とで構成されるハーフブリッジ型とし、コンバータ回路５００を半導体スイッチング素子５０１ａ、５０２ａで構成している。このため、少ない半導体スイッチング素子で電流制御を実現することができ、電力変換装置の小型化、軽量化、部品点数の削減を実現することができる。
【０２９０】
また、交流電源１からの入力電圧の特定の位相でのみ半導体スイッチング素子５０１ａおよび５０２ａを動作させるため、電力変換装置を安定に制御でき、半導体スイッチング素子のスイッチングに起因する損失もほとんど発生しない。
【０２９１】
また、ゼロクロス位相であるθ＝０、πを中央とした±θ１の位相範囲でのみ、半導体スイッチング素子５０２ａをオン状態として平滑コンデンサ３をバイパスさせるため、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが低い領域において平滑コンデンサ３へ出力する必要がなく、インバータ回路４００の直流電圧を低く構成でき、高効率化、低ノイズ化を達成することができる。また、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊は、短絡位相θ１によって制御できるため、目標電圧Ｖｄｃ＊を容易に制御でき、制御性および制御上の自由度が向上する。
【０２９２】
また、半導体スイッチング素子５０２ａのオン・オフ切り替え時に、インバータ回路４００は、フィードフォワード制御によって、直流コンデンサ４０３の充電、放電動作を切り替えるように制御されるため、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを防ぎ、高速制御が実現できる。
【０２９３】
また、実施の形態４においても、実施の形態１〜３と同様に、所定条件ごとに積分器を切り替えることにより、所定条件で異なる定常偏差をそれぞれ適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０２９４】
なお、以上説明した実施の形態４では、インバータ回路４００によって電流制御する方法について示したが、数式（８）または数式（９）に示す条件が成り立たない場合には、コンバータ回路５００によって電流制御する構成としても良い。
【０２９５】
また、コンバータ回路５００によって電流制御されることを条件として積分器を切り替えて電流制御演算をすることで、コンバータ回路５００によって電流制御する場合の電流制御性を向上させることができる。
【０２９６】
また、交流電圧Ｖｉｎの勾配の極性を条件として積分器を切り替えて演算するものであっても良く、これにより電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０２９７】
＜実施の形態５＞
以上説明した実施の形態４の電力変換装置４０００では、入力部にダイオードブリッジを備え、力行機能のみ備えた構成について示したが、本発明に係る実施の形態５では、ダイオードブリッジを省略し、２つのハーフブリッジ型のインバータ回路を備え、力行および回生機能を備えた電力変換装置５０００の構成について説明する。
【０２９８】
図２６は、本発明に係る実施の形態５の電力変換装置５０００の概略構成を示す図である。図２６に示すように、電力変換装置５０００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ための主回路と制御回路１０Ｄとを備えている。
【０２９９】
主回路は、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（第１のインバータ回路）およびインバータ回路６００（第２のインバータ回路）と、コンバータ回路５００（第１のコンバータ回路）およびコンバータ回路７００（第２のコンバータ回路）と、出力電圧を平滑する平滑コンデンサ３とを備えている。なお、図１９に示した電力変換装置４０００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０３００】
交流電源１は電力変換装置５０００の入力端子ｔ１と入力端子ｔ２の間に接続され、入力端子ｔ１はリアクトル２に接続され、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構成となっている。また、入力端子ｔ２はハーフブリッジ型のインバータ回路６００に接続されている。
【０３０１】
インバータ回路６００は、ＭＯＳＦＥＴ等の２個の半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａ、および直流コンデンサ６０３で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６０１ａがインバータ回路６００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６０２ａ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り、両者は直列に接続され、その接続点（交流側端子）が入力端子ｔ２に接続されている。
【０３０２】
また、半導体スイッチング素子６０１ａのドレインと、半導体スイッチング素子６０２ａのソースには、それぞれ直流コンデンサ６０３の正極および負極が接続されている。なお、半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード６０１ｂ、６０２ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０３０３】
コンバータ回路７００は、ＭＯＳＦＥＴ等の２個の半導体スイッチング素子７０１ａ、７０２ａで構成されている。半導体スイッチング素子７０１ａは、インバータ回路６００の正電位側の半導体スイッチング素子６０１ａ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、半導体スイッチング素子７０２ａは、インバータ回路６００の負電位側の半導体スイッチング素子６０２ａ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。なお、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。
【０３０４】
また、半導体スイッチング素子７０１ａ、７０２ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード７０１ｂ、７０２ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子７０１ａ、７０２ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０３０５】
なお、半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａ、７０１ａ、７０２ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ等を用いても良く、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。
【０３０６】
また、回生動作を行わない場合には、半導体スイッチング素子４０１ａ、５０１ａ、６０１ａ、７０１ａを省略して、ダイオード４０１ｂ、５０１ｂ、６０１ｂ、７０１ｂのみで構成しても良い。
【０３０７】
また、電力変換装置５０００は、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１を測定する電圧計、インバータ回路６００の直流コンデンサ６０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１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、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および交流電流Ｉｉｎを測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【０３０８】
制御回路１０Ｄは、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１と、インバータ回路６００の直流コンデンサ６０３の直流電圧Ｖｓｕｂ２と、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと、電力変換装置５０００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、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の電圧Ｖｓｕｂ１と直流コンデンサ６０３の電圧Ｖｓｕｂ２とが一定の目標電圧（電圧指令値Ｖｓｕｂ１＊、電圧指令値Ｖｓｕｂ２＊）となるように、インバータ回路４００および６００の半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａおよび６０１ａ、６０２ａと、コンバータ回路５００および７００の半導体スイッチング素子５０１ａ、５０２ａおよび７０１ａ、７０２ａに与えるゲート信号１１、１２を生成して、インバータ回路４００および６００、コンバータ回路５００および７００の出力制御を行う。
【０３０９】
より具体的には、制御回路１０Ｄは、直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１および直流コンデンサ６０３の直流電圧Ｖｓｕｂ２が、直流コンデンサ４０３および６０３のそれぞれの電圧指令値Ｖｓｕｂ１＊およびＶｓｕｂ１＊に追従するように半導体スイッチング素子５０２ａおよび７０２ａ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、６０１ａ、６０２ａのオン・オフを制御する。
【０３１０】
また、制御回路１０Ｄは、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性に応じて、インバータ回路４００の半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａをオン・オフする制御と、インバータ回路６００の半導体スイッチング素子７０１ａ、７０２ａをオン・オフする制御とを切り替える。
【０３１１】
平滑コンデンサ３には図示しない負荷が接続され、通常時には、直流電圧Ｖｄｃは目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低く、制御回路１０Ｄ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、６００およびコンバータ回路５００、７００の出力制御を行う。
【０３１２】
＜力行動作＞
このように構成される電力変換装置５０００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２７〜図３４に基づいて説明する。
【０３１３】
図２７〜図３４は電流経路図を示し、図２７〜図３０は交流電圧Ｖｉｎが正極性の場合、図３１〜図３４は交流電圧Ｖｉｎが負極性の場合の電流経路図であり電流が流れる経路を太線で示している。
【０３１４】
また、図３５は、電力変換装置５０００の動作を説明する各部の波形とインバータ回路４００および６００のそれぞれの直流コンデンサ４０３および６０３の充放電動作を示す図である。
【０３１５】
図３５において、（ａ）部には交流電圧Ｖｉｎの電圧波形、（ｂ）部には半導体スイッチング素子５０２ａのオン・オフの状態、（ｃ）部には半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａのオン・オフの状態、（ｄ）部には半導体スイッチング素子７０２ａのオン・オフの状態、（ｅ）部には半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａのオン・オフの状態、（ｆ）部は直流コンデンサ４０３の充放電の状態、（ｇ）部には直流コンデンサ６０３の充放電の状態を示す。
【０３１６】
なお、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３５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。
【０３１７】
このように制御回路１０Ｄは、平滑コンデンサ３の直流電圧の目標電圧Ｖｄｃ＊を、直流電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２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、直流コンデンサ４０３、６０３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。
【０３１８】
実施の形態５では、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性が正極性の場合には、半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａ、５０１ａ、５０２ａを出力制御し、半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａ、７０１ａ、７０２ａをオフとする。一方、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性が負極性の場合には、半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａ、７０１ａ、７０２ａを出力制御し、半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａ、５０１ａ、５０２ａをオフとする。
【０３１９】
＜０≦θ＜πの場合＞
交流電源１の電圧位相をθとし、まず、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが正極性である０≦θ＜πの場合における、４つの半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａ、５０１ａ、５０２ａの動作と電流経路について説明する。
【０３２０】
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２７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。
【０３２１】
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２８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。
【０３２２】
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２９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。
【０３２３】
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３０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。
【０３２４】
制御回路１０Ｄは、このような４種類の動作モードの組み合わせで、インバータ回路４００をＰＷＭ制御することによって、交流電源１の高力率制御と、直流コンデンサ４０３の充放電制御を行うことができる。なお、インバータ回路６００側を流れる電流は、ダイオード６０２ｂ、ダイオード７０２ｂを経由して流れるが、半導体スイッチング素子６０２ａ、７０２ａを適宜オン・オフして半導体スイッチング素子を経由して流れるように制御しても良い。
【０３２５】
＜π≦θ＜２πの場合＞
次に、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが負極性であるπ≦θ＜２πの場合における、４つの半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａ、７０１ａ、７０２ａの動作と電流経路について説明する。
【０３２６】
半導体スイッチング素子６０２ａ、７０２ａがオン状態、半導体スイッチング素子６０１ａ、７０１ａがオフ状態の場合には、図３１に示すように交流電流Ｉｉｎは直流コンデンサ６０３をスルーするように流れる。
【０３２７】
また、半導体スイッチング素子６０１ａ、７０２ａがオン状態、半導体スイッチング素子６０２ａ、７０１ａがオフ状態の場合には、図３２に示すように交流電流Ｉｉｎは直流コンデンサ６０３を充電するように流れる。
【０３２８】
また、半導体スイッチング素子６０２ａ、７０１ａがオン状態、半導体スイッチング素子６０１ａ、７０２ａがオフ状態の場合には、図３３に示すように交流電流Ｉｉｎは直流コンデンサ６０３を放電するように流れる。
【０３２９】
また、半導体スイッチング素子６０１ａ、７０１ａがオン状態、半導体スイッチング素子６０２ａ、７０２ａがオフ状態の場合には、図３４に示すように交流電流Ｉｉｎは直流コンデンサ６０３をスルーするように流れる。
【０３３０】
制御回路１０Ｄは、このような４種類の動作モードの組み合わせで、インバータ回路６００をＰＷＭ制御することによって、交流電源１の高力率制御と、直流コンデンサ６０３の充放電制御を行う。なお、インバータ回路４００側を流れる電流は、ダイオード４０２ｂ、ダイオード５０２ｂを経由して流れるが、半導体スイッチング素子４０２ａ、５０２ａを適宜オン・オフして、半導体スイッチング素子を経由して流れるように制御しても良い。
【０３３１】
まず、図３５に示すように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが正極性である場合、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相を中央として±θ１の位相範囲（短絡期間）、すなわち「０」〜「θ１」、「π−θ１」〜「π」の位相範囲では、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（図示せず）がオフ状態となり、平滑コンデンサ３をバイパスさせる。そして、インバータ回路４００の半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａを交互にオン・オフするＰＷＭ制御を行う（図２７の動作モードと図２８の動作モードとを交互に行う）。
【０３３２】
この場合、図２７の動作モードによってリアクトル２が励磁され、図２８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。また、図２７の動作モードでは直流コンデンサ４０３はスルーとなり、図２８の動作モードでは直流コンデンサ４０３は充電される。従って、図２７の動作モードと図２８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、かつ交流電源１の高力率制御を行うことができる。
【０３３３】
次に、図３５に示すように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが正極性である場合、「θ１」〜「π−θ１」の位相範囲では、半導体スイッチング素子５０２ａがオフ状態、半導体スイッチング素子５０１ａ（図示せず）がオン状態となり、平滑コンデンサ３へ直流電力を出力する。そして、インバータ回路４００の半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａを交互にオン・オフするＰＷＭ制御を行う（図２９の動作モードと図３０の動作モードとを交互に行う）。
【０３３４】
この場合、インバータ回路４００は、電圧（Ｖｓｕｂ１＊−Ｖｉｎ）を出力し、図２９の動作モードと図３０の動作モードとを繰り返すことによって、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎにインバータ回路４００の出力電圧を加算して、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の電圧Ｖｄｃを制御する。
【０３３５】
インバータ回路４００では、図２９の動作モードによってリアクトル２が励磁され、図３０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。また、図２９の動作モードでは、直流コンデンサ４０３は放電され、図３０の動作モードでは、直流コンデンサ４０３はスルーされる。従って、図２９の動作モードと図３０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を放電させ、かつ交流電源１の高力率制御を行うことができる。
【０３３６】
次に、図３５に示すように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが負極性である場合、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎのゼロクロス位相を中央として±θ５の位相範囲（短絡期間）、すなわち「π」〜「π＋θ５」、「２π−θ５」〜「２π」の位相範囲では、半導体スイッチング素子７０２ａをオン状態、半導体スイッチング素子７０１ａ（図示せず）をオフ状態として、平滑コンデンサ３をバイパスさせる。そして、インバータ回路６００の半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａを交互にオン・オフするＰＷＭ制御を行う（図３１の動作モードと図３２の動作モードとを交互に行う）。
【０３３７】
この場合、図３１の動作モードによってリアクトル２が励磁され、図３２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。また、図３１の動作モードでは直流コンデンサ６０３はスルーとなり、図３２の動作モードでは直流コンデンサ６０３は充電される。従って、図３１の動作モードと図３２の動作モードとを組み合わせて、インバータ回路６００をＰＷＭ制御することによって、直流コンデンサ６０３を充電させ、かつ交流電源１の高力率制御を行うことができる。
【０３３８】
次に、図３５に示すように、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎが負極性である場合、「π＋θ５」〜「２π−θ５」の位相範囲では、半導体スイッチング素子７０２ａがオフ状態、半導体スイッチング素子７０１ａ（図示せず）がオン状態となり、平滑コンデンサ３へ直流電力を出力する。そして、インバータ回路６００の半導体スイッチング素子６０１ａ、６０２ａを交互にオン・オフするＰＷＭ制御を行う（図３３と図３４の動作モードとを交互に行う）。
【０３３９】
この場合、インバータ回路６００は電圧（Ｖｓｕｂ２＊−Ｖｉｎ）を出力して、図３３の動作モードと図３４の動作モードとを繰り返すことによって、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎにインバータ回路６００の出力電圧を加算して、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の電圧Ｖｄｃを制御する。
【０３４０】
インバータ回路６００では、図３３の動作モードによってリアクトル２が励磁され、図３４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。また、図３３の動作モードでは、直流コンデンサ６０３は放電され、図３４の動作モードでは、直流コンデンサ６０３はスルーされる。従って図３３の動作モードと図３４の動作モードとを組み合わせて、インバータ回路６００をＰＷＭ制御することによって、直流コンデンサ６０３を放電させ、かつ交流電源１の高力率制御を行うことができる。
【０３４１】
以上説明したように、交流電圧Ｖｉｎが正極性の場合には、半導体スイッチング素子５０２ａのオン期間（短絡期間）を調整することによって、インバータ回路４００の直流コンデンサ４０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１を目標電圧に保つことができる。また、交流電圧Ｖｉｎが負極性の場合には、半導体スイッチング素子７０２ａのオン期間（短絡期間）を調整することによって、インバータ回路６００の直流コンデンサ６０３の直流電圧Ｖｓｕｂ２を目標電圧に保つことができる。
【０３４２】
このような駆動方法における、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎと、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃとの関係は、実施の形態４で説明した数式（６）のように表される。そして、電流制御の成立条件も実施の形態４で説明した数式（８）および数式（９）と同様に、以下の数式（１０）〜（１３）で表される。
【０３４３】
すなわち、インバータ回路４００で電流制御を行う場合には、以下に示す数式（１０）および（１１）を満たす必要がある。
【０３４４】
【数１０】
2015023697.tif 000012
【０３４５】
【数１１】
2015023697.tif 000013
【０３４６】
また、インバータ回路６００で電流制御を行う場合には、以下に示す数式（１２）および（１３）を満たす必要がある。
【０３４７】
【数１２】
2015023697.tif 000014
【０３４８】
【数１３】
2015023697.tif 000015
【０３４９】
なお、直流コンデンサ４０３、６０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２は、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎのピーク電圧Ｖｐ以下に設定する。ＰＷＭ制御を行うインバータ回路４００、６００では、直流コンデンサ４０３、６０３の直流電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２が大きくなると損失が増大するため、直流電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２は数式（１０）〜数式（１３）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。
【０３５０】
＜制御の詳細＞
次に、インバータ回路４００、６００およびコンバータ回路５００、７００の制御の詳細について図３６に基づいて説明する。図３６は、制御回路１０Ｄの構成を示すブロック図であり、これを用いてコンバータ回路５００、７００の出力制御とインバータ回路４００、６００の出力制御を説明する。
【０３５１】
＜コンバータ回路の出力制御＞
コンバータ回路５００、７００の出力制御において、制御回路１０Ｄはインバータ回路４００、６００の直流コンデンサ４０３の電圧Ｖｓｕｂを電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従させる制御を行う。なお、ここでは直流電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２が共通の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従する制御について説明するが、別々の指令値により制御されるものであっても良い。
【０３５２】
制御回路１０Ｄは、まず、交流電圧Ｖｉｎの極性によって直流コンデンサ４０３、６０３の電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２のどちらを制御するかを選択する。
【０３５３】
すなわち、交流電源１からの電圧Ｖｉｎを受けて、その正負の極性を判定する電圧極性判定器４２の出力信号４３（極性の正、負に対応する２値信号として出力される）が切り替え器３５に与えられ、切り替え器３５では、出力信号４３が、電圧Ｖｉｎの極性が正であることを示す場合には電圧Ｖｓｕｂ１を、電圧Ｖｉｎの極性が負であることを示す場合には電圧Ｖｓｕｂ２を差分器２００１での差分演算に用いるよう切り替える。
【０３５４】
差分器２００１では、設定された電圧指令値Ｖｓｕｂ＊と検出された電圧Ｖｓｕｂ１または電圧Ｖｓｕｂ２との差分を取り、得られた差分電圧ΔＶｓｕｂをフィードバック量として比例積分制御器１００１に与え、比例積分した出力３１を直流コンデンサ４０３への電流指令値とし、ＰＷＭ制御部３３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、７０１ａおよび７０２ａに対するゲート信号１２を生成する。
【０３５５】
このＰＷＭ制御部３３では、三角波生成部３２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）をキャリア波に用いて比較演算し、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１２を生成する。ゲート信号１２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。
【０３５６】
従って、このゲート信号１２によりコンバータ回路５００の交流端子間を短絡する短絡期間も制御され、電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２が低下すると短絡期間は長く、電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２が増加すると短絡期間は短くなるように制御される。
【０３５７】
＜インバータ回路の出力制御＞
また、インバータ回路４００、６００の出力制御において、制御回路１０Ｄ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になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【０３５８】
制御回路１０Ｄは、差分器２００２により、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた差分電圧２１をフィードバック量として比例積分制御器１００２に与え、比例積分した出力を振幅目標値２２とする。この振幅目標値２２と、交流電源同期正弦波生成器２３で生成した交流電源１に同期した周波数および位相を持つ正弦波とを乗算器１００３で乗算することで、電圧Ｖｉｎに同期した正弦波の電流指令値Ｉｉｎ＊２４を生成する。
【０３５９】
次に、差分器２００３により、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と図示されない電流計で検出された電流Ｉｉｎとの差分を取り、得られた差分電流２５をフィードバック量として比例制御器１００４に与え、比例制御した出力をインバータ回路１００の発生電圧の目標値となる電圧指令値２６とする。
【０３６０】
ここで、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と、電流Ｉｉｎとの差分電流２５は、比例制御器１００４と並列に積分器群４７にも入力される。この積分器群４７を用いた演算は、電力変換装置４０００において特徴的な構成であり、以下に、その演算について説明する。
【０３６１】
差分電流２５が積分器群４７に与えられるタイミングで、積分器切り替え器４６により積分器群４７の中の積分器が一つだけが選択され、入力に対する積分演算が行われ、積分値４８として出力される。そして当該出力に対して乗算器１００５で係数Ｋを乗算することで電圧指令値の補正値４９を得る。
【０３６２】
ここで、係数Ｋは、電流値として出力される積分値４８を電圧値に変換するための変換係数であり、固定値でも良いが、入力電圧値が変化した場合などの動作条件によって変更される可変値でも良い。また、乗算器１００５では制御ゲインも乗算される。
【０３６３】
積分器切り替え器４６には２つの信号が入力される。その１つは、コンバータ回路５００、７００の出力制御のためのゲート信号１２を受けてオンとオフ、すなわち短絡期間であるか否かを判定する短絡期間判定器４０の出力信号４１であり、オン、オフに対応する２値信号として与えられる。
【０３６４】
もう１つは、交流電源１からの電圧Ｖｉｎを受けて、その正負の極性を判定する電圧極性判定器４２の出力信号４３であり、極性の正、負に対応する２値信号として与えられる。
【０３６５】
これらの信号の組み合わせから積分器切り替え器４６は４個のパターンを作り出し、積分器群４７の持つ４個の積分器の切り替えを行う。
【０３６６】
次に、加算器２００４において、電圧指令値２６に対して電圧指令値の補正値４９を加算し、補正後の電圧指令２７を得る。そして、加算器２００５において、コンバータ回路５００、７００の半導体スイッチング素子５０２ａまたは７０２ａをオン状態とする短絡期間の制御と、コンバータ回路５００、７００の半導体スイッチング素子５０２ａまたは７０２ａをオフ状態とする短絡期間以外の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧△Ｖを加算して、補正後の電圧指令２７をフィードフォワード補正した、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を得る。
【０３６７】
ここで、フィードフォワード補正電圧ΔＶは、短絡期間では交流電源１の逆極性となる交流電圧（−Ｖｉｎ）であり、短絡期間以外の期間は平滑コンデンサ３の直流電圧と交流電源１の交流電圧との差電圧（Ｖｄｃ−Ｖｉｎ）となるように、図示されない部位で電圧Ｖｄｃおよび交流電圧Ｖｉｎに基づいて演算される。
【０３６８】
これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、短絡期間以外との切り替え時にも、入力力率がほぼ１になるように電流Ｉｉｎを制御でき、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して、高調波電流の発生を抑制できる。
【０３６９】
そして、フィードフォワード補正後の電圧指令２８を用いて、ＰＷＭ制御部２９によりインバータ回路４００、６００の各半導体スイッチング素子４０１ａ、４０２ａ、６０１ａ、６０２ａに対するゲート信号１１を生成し、インバータ回路４００、６００を動作させる。なお、ゲート信号１１は、電流Ｉｉｎを電流指令値Ｉｉｎ＊２４に追従させるため、交流電源１の周波数よりも十分に高い、例えば数十ｋＨｚ程度の高周波スイッチング信号である。
【０３７０】
以上説明したようにインバータ回路４００、６００を制御することによって、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に追従させ、交流電源１からの入力力率を改善するように制御して出力し、インバータ回路４００、６００の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。
【０３７１】
以上のような構成によって、ダイオード整流回路を用いずに、交流電圧を直流電圧に変換する機能、交流電源を高力率に制御する機能を実現することができる。また、交流電源１の交流電圧の極性に応じて、２つのインバータ回路４００、６００を切り替えて制御するので、直流コンデンサ４０３、６０３の電力負担期間を半減させることができ、これによって電力変換装置の適用箇所を拡大することができる。
【０３７２】
また、実施の形態５の構成においても、実施の形態１〜４と同様に、所定条件ごとに積分器を切り替えることにより、所定条件で異なる定常偏差をそれぞれ適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０３７３】
なお、実施の形態５では交流入力を直流出力する力行動作についてのみ示しているが、回生動作であっても、電流制御において所定条件ごとに積分器を切り替えて演算することにより、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０３７４】
また、インバータ回路４００、６００によって電流制御する方法について示したが、数式（１０）〜数式（１３）のいずれかに示す条件が成り立たない場合に、コンバータ回路５００、７００によって電流制御するものであっても良い。
【０３７５】
コンバータ回路５００、７００によって電流制御されることを条件として積分器を切り替えて電流制御演算することで、コンバータ回路５００、７００によって電流制御する場合の電流制御性を向上させることができる。
【０３７６】
また、交流電圧Ｖｉｎの勾配の極性を条件として積分器を切り替えて演算するものであっても良く、これにより電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０３７７】
＜実施の形態６＞
以上説明した実施の形態１〜５においては、平滑コンデンサをバイパスする短絡期間を設けるようにコンバータ回路が制御される構成について示したが、本発明に係る実施の形態６では、平滑コンデンサの後段にさらにＤＣ／ＤＣ（直流-直流）変換回路を設けた構成について示す。
【０３７８】
図３７は、図１を用いて説明した実施の形態１の電力変換装置１０００の後段にＤＣ／ＤＣ変換回路８００を備えた電力変換装置６０００の構成を示す図である。なお、前段の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置１０００に限定されず、実施の形態２〜５の電力変換装置２０００〜５０００の何れであっても良い。
【０３７９】
図３７に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００は、電力変換装置１０００の平滑コンデンサ３で平滑される直流電力を所定の直流電力に変換する回路であり、制御回路１０Ｅにより制御される。
【０３８０】
ＤＣ／ＤＣ変換回路８００は、トランス５によって電気的に絶縁された１次側と２次側とを有し、１次側は、それぞれのソース・ドレイン間にダイオード８０１ｂ〜８０４ｂが内蔵された複数個のＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子８０１ａ〜８０４ａで構成されるフルブリッジ型のインバータを有している。
【０３８１】
すなわち、電力変換装置１０００から連続する直流母線３ａ、３ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子８０１ａおよび８０２ａと、同じく直流母線３ａ、３ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子８０３ａおよび８０４ａとを備え、半導体スイッチング素子３０１ａ〜３０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード８０１ｂ〜８０４ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子８０１ａ〜８０４ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０３８２】
そして、半導体スイッチング素子８０１ａと８０２ａとの接続点（交流側端子）および半導体スイッチング素子８０３ａと８０４ａとの接続点（交流側端子）は、トランス５の１次側巻き線に接続されている。
【０３８３】
ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の２次側は、それぞれのソース・ドレイン間にダイオード８０５ｂ〜８０８ｂが内蔵された複数個のＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子８０５ａ〜８０８ａで構成されるフルブリッジ型のコンバータを有している。
【０３８４】
すなわち、直流出力母線８ａ、８ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子８０５ａおよび８０６ａと、同じく直流母線８ａ、８ｂ間に直列に接続された半導体スイッチング素子８０７ａおよび８０８ａとを備え、半導体スイッチング素子８０５ａ〜８０８ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード８０６ｂ〜８０８ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子８０５ａ〜８０８ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０３８５】
そして、半導体スイッチング素子８０５ａと８０６ａとの接続点（交流側端子）および半導体スイッチング素子８０７ａと８０８ａとの接続点（交流側端子）は、トランス５の２次側巻き線に接続されている。
【０３８６】
なお、半導体スイッチング素子８０１ａ〜８０８ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を用いても良く、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。
【０３８７】
また、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００は、出力電圧Ｖｏｕｔを測定する電圧計、および出力電流Ｉｏｕｔ（第１の電流値）を測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【０３８８】
制御回路１０Ｅは、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃと、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の出力電圧Ｖｏｕｔおよび出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔが一定の目標電圧Ｖｏｕｔ＊になるように、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の各半導体スイッチング素子８０１ａ〜８０８ａに対するゲート信号１３を生成して、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の出力制御を行う。
【０３８９】
なお、出力直流母線８ａ、８ｂには図示しない負荷が接続され、通常時は出力電圧Ｖｏｕｔは目標電圧Ｖｏｕｔ＊に比べて低く、制御回路１０Ｅは、平滑コンデンサ３の直流電力を変換して所定の直流電力を供給するようにＤＣ／ＤＣ変換回路８００の出力制御を行う。
【０３９０】
図３８は、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の動作を説明する図である。図３８において、（ａ）部にはトランス５の１次側に印加される電圧Ｖｔｒ１の電圧波形、（ｂ）部には半導体スイッチング素子８０１ａ、８０４ａのオン・オフの状態、（ｃ）部には半導体スイッチング素子８０２ａ、８０３ａのオン・オフの状態を示す。なお、（ｂ）部において半導体スイッチング素子８０１ａ、８０４ａがオン状態の場合には半導体スイッチング素子８０５ａ、８０８ａ（図示せず）もオン状態となる。また、（ａ）部において半導体スイッチング素子８０２ａ、８０３ａがオン状態の場合には半導体スイッチング素子８０６ａ、８０７ａ（図示せず）もオン状態となる。
【０３９１】
図３８に示すように、半導体スイッチング素子８０１ａ、８０４ａをオンした場合、トランス５の１次側には平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが正極性で印加され、これによりトランス５の２次側に電力が伝達される。
【０３９２】
また、半導体スイッチング素子８０２ａ、８０３ａをオンした場合、トランス５の１次側には平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃが負極性で印加され、これによりトランス５の２次側に電力が伝達される。そして、各半導体スイッチング素子のオン時間を調整してＰＷＭ制御することにより、トランス５の２次側へ出力する電力を制御する。
【０３９３】
なお、半導体スイッチング素子８０５ａ〜８０８ａを流れる電流はソース（エミッタ）からドレイン（コレクタ）の方向となるため、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８０５ｂ〜８０８ｂに電流を流すように制御しても良い。また、力行動作のみの場合は、ダイオード８０５ｂ〜８０８ｂのみで構成しても良い。
【０３９４】
次に、図３９を用いて、電力変換装置１０００の動作を含めたＤＣ／ＤＣ変換回路８００の動作を説明する。図３９において、（ａ）部には交流電圧Ｖｉｎと平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃの波形、（ｂ）部にはＤＣ／ＤＣ変換回路８００の前段の電力変換装置１０００の短絡期間Ｔの状態、（ｃ）部にはＤＣ／ＤＣ変換回路８００の出力電流Ｉｏｕｔの波形と目標電流Ｉｏｕｔ＊（第２の電流値）を示す。
【０３９５】
図３９に示すように、電力変換装置１０００の短絡期間Ｔがオンの場合には、平滑コンデンサ３がバイパスされて電圧Ｖｄｃが減少傾向となり、短絡期間Ｔがオフの場合には平滑コンデンサ３が充電されて電圧Ｖｄｃは増加傾向となる。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の出力電流Ｉｏｕｔは目標電流Ｉｏｕｔ＊に追従するよう制御されるが、トランス５の１次側に印加される電圧Ｖｄｃの増加・減少傾向によって、制御に定常偏差を生じる。
【０３９６】
具体的には、電圧Ｖｄｃが増加傾向の場合、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の各半導体スイッチング素子が所定のオン期間で動作している状態でトランス５の１次側電圧が増加するため、２次側への出力電力増加によって出力電流Ｉｏｕｔが増加し、目標電流Ｉｏｕｔ＊に追従させるため、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の各半導体スイッチング素子のオン期間を短縮するようフィードバック制御する。
【０３９７】
そのため、電圧Ｖｄｃが増加傾向の期間は、出力電流Ｉｏｕｔの増加の検出で制御が実行されるため、出力電流Ｉｏｕｔは目標電流Ｉｏｕｔ＊に対して正極性の定常偏差を持つことになる。これとは逆に、電圧Ｖｄｃが減少傾向の場合には、出力電流Ｉｏｕｔは目標電流Ｉｏｕｔ＊に対して負極性の定常偏差を持つことになる。
【０３９８】
＜制御の詳細＞
次に、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の制御の詳細について図４０に基づいて説明する。図４０は、制御回路１０Ｅの構成を示すブロック図である。
【０３９９】
ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の出力制御において、制御回路１０Ｅは出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧Ｖｏｕｔ＊に維持し、また出力電流Ｉｏｕｔを直流の目標電流Ｉｏｕｔ＊に達するように制御する。
【０４００】
まず、制御回路１０Ｅは、差分器２０１０により、目標電圧Ｖｏｕｔ＊と電圧Ｖｏｕｔとの差分を取り、得られた差分電圧５０をフィードバック量として比例積分制御器１００８に与え、比例積分した出力を目標電流Ｉｏｕｔ＊５１とする。
【０４０１】
次に、差分器２０１０により、目標電流Ｉｉｎ＊５１と検出された出力電流Ｉｏｕｔとの差分を取り、得られた差分電流５２をフィードバック量として比例積分制御器１００９に与え、比例積分した出力を、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の発生電圧の目標値となる電圧指令５３とする。
【０４０２】
ここで、目標電流Ｉｉｎ＊５１と出力電流Ｉｏｕｔとの差分電流５２は、比例積分制御器１００９と並列に積分器群５５にも入力される。この積分器群５５を用いた演算は、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００において特徴的な構成であり、以下に、その演算について説明する。
【０４０３】
差分電流５２が積分器群５５に与えられるタイミングで、積分器切り替え器５４により積分器群５５の中の積分器が一つだけが選択され、入力に対する積分演算が行われ、積分値５６として出力される。そして当該出力に対して乗算器１０１０で係数Ｋを乗算することで電圧指令値の補正値５７を得る。
【０４０４】
ここで、係数Ｋは、電流値として出力される積分値５６を電圧値に変換するための変換係数であり、固定値でも良いが、入力電圧値が変化した場合などの動作条件によって変更される可変値でも良い。また、乗算器１０１０では制御ゲインも乗算される。
【０４０５】
積分器切り替え器５４には、電力変換装置１０００のコンバータ回路３００の出力制御のためのゲート信号１２を受けてオンとオフ、すなわち短絡期間であるか否かを判定する短絡期間判定器６０の出力信号６１（オン、オフに対応する２値信号）が入力される。この信号４１に基づいて、積分器切り替え器５４は積分器群５５内の２個の積分器の切り替えを行う。
【０４０６】
次に、加算器２０１２において、電圧指令５３に対して電圧指令値の補正値５７を加算し、補正後の電圧指令５８を得る。そして、補正後の電圧指令５８をＰＷＭ制御部５９に与え、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の各半導体スイッチング素子８０１ａ〜８０８ａに対するゲート信号１３を生成し、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００を動作させる。
【０４０７】
以上説明した実施の形態６においては、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の前段に設けた電力変換装置１０００において設定される短絡期間Ｔのオン・オフを条件として、出力電流Ｉｏｕｔの制御演算に用いる積分器切り替え器５４内の積分器を切り替えることにより、短絡期間Ｔのオン・オフの状態によって変化する出力電流Ｉｏｕｔの定常偏差を適切に補償し、出力電流Ｉｏｕｔの制御性を向上させることができる。これにより、図３９の（ｃ）部に示したように、出力電流Ｉｏｕｔの波形を直流に近づけることができる。
【０４０８】
なお、以上説明した実施の形態６では、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００の力行動作についてのみ示しているが、回生動作であっても、電流制御において所定条件ごとに積分器を切り替えて演算することにより、電流Ｉｏｕｔの制御性を向上させることができる。
【０４０９】
なお、以上の説明では、実施の形態６のＤＣ／ＤＣ変換回路８００は、実施の形態１〜５の電力変換装置１０００〜５０００の後段に設けられ、電力変換装置１０００〜５０００では制御回路１０〜１０Ｄにより入力電流値と、その目標電流値との偏差の積分値を用いて制御量を演算し、また、ＤＣ／ＤＣ変換回路８００では制御回路１０Ｅにより出力電流値とその目標電流値との偏差の積分値を用いて制御量を演算する構成を説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、制御回路１０〜１０Ｄにおいては入力電流値とその目標電流値との偏差の積分値を用いて制御量を演算せず、制御回路１０Ｅにおいてのみ出力電流値とその目標電流値との偏差の積分値を用いた制御量の演算を行う、といった制御も可能である。また、このような制御においても上記と同様の効果を得ることができる。
【０４１０】
＜実施の形態７＞
以下、実施の形態７の電力変換装置について説明する。図４１は本発明に係る実施の形態７の電力変換装置７０００の概略構成を示す図である。
【０４１１】
図４１に示すように、電力変換装置７０００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ための主回路と制御回路１０Ｆとを備えている。
【０４１２】
主回路は、限流回路を構成するリアクトル２と、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａと、出力電圧を平滑する平滑コンデンサ３とを備えている。
【０４１３】
半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａは、直流母線３ａ、３ｂ間に直列に接続され、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。半導体スイッチング素子９０１ａおよび９０２ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード９０１ｂおよび９０２ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０４１４】
半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ等を用いても良く、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。
【０４１５】
交流電源１は電力変換装置７０００の入力端子ｔ１（第１の入力端子）と入力端子ｔ２（第２の入力端子）の間に接続され、入力端子ｔ１およびｔ２はダイオードブリッジ４に接続され、ダイオードブリッジ４の一方の出力端子がリアクトル２に接続され、リアクトル２は、半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａの接続点に接続されている。また、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接続されている。
【０４１６】
また、電力変換装置７０００は、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを測定する電圧計、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および交流電流Ｉｉｎを測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【０４１７】
制御回路１０Ｆは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎと、交流電流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、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、半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａに対するゲート信号１４を生成して、電力変換装置７０００の出力制御を行う。
【０４１８】
平滑コンデンサ３には図示しない負荷が接続され、直流電圧Ｖｄｃが目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低く、制御回路１０Ｆ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。
【０４１９】
＜動作＞
このように構成される電力変換装置７０００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説明する。
【０４２０】
制御回路１０Ｆは、半導体スイッチング素子９０１ａをオフし、半導体スイッチング素子９０２ａをオンすることにより、交流入力を短絡し、リアクトル２を励磁する。そして、半導体スイッチング素子９０１ａをオンし、半導体スイッチング素子９０２ａをオフすることにより、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。このように半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａをＰＷＭ制御することによって、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃと電流Ｉｉｎの制御を行うことができる。
【０４２１】
＜制御の詳細＞
次に、電力変換装置７０００の制御の詳細について図４２に基づいて説明する。図４２は、制御回路１０Ｆの構成を示すブロック図である。
【０４２２】
制御回路１０Ｆ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になるように電流Ｉｉｎを制御する。
【０４２３】
制御回路１０Ｆは、差分器２００２により、平滑コンデンサ３の目標電圧Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの差分を取り、得られた差分電圧２１をフィードバック量として比例積分制御器１００２に与え、比例積分した出力を振幅目標値２２とする。この振幅目標値２２と、交流電源同期正弦波生成器２３で生成した交流電源１に同期した周波数および位相を持つ正弦波とを乗算器１００３で乗算することで、電圧Ｖｉｎに同期した正弦波の電流指令値Ｉｉｎ＊２４を生成する。
【０４２４】
次に、差分器２００３により、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と図示されない電流計で検出された電流Ｉｉｎとの差分を取り、得られた差分電流２５をフィードバック量として比例制御器１００４に与え、比例制御した出力を電力変換装置７０００の発生電圧の目標値となる電圧指令値２６とする。
【０４２５】
ここで、電流指令値Ｉｉｎ＊２４と、電流Ｉｉｎとの差分電流２５は、比例制御器１００４と並列に積分器群４７にも入力される。この積分器群４７を用いた演算は、電力変換装置７０００において特徴的な構成であり、以下に、その演算について説明する。
【０４２６】
差分電流２５が積分器群４７に与えられるタイミングで、積分器切り替え器４６により積分器群４７の中の積分器が一つだけが選択され、入力に対する積分演算が行われ、積分値４８として出力される。そして当該出力に対して乗算器１００５で係数Ｋを乗算することで電圧指令値の補正値４９を得る。
【０４２７】
ここで、係数Ｋは、電流値として出力される積分値４８を電圧値に変換するための変換係数であり、固定値でも良いが、入力電圧値が変化した場合などの動作条件によって変更される可変値でも良い。また、乗算器１００５では制御ゲインも乗算される。
【０４２８】
積分器切り替え器４６には２つの信号が入力される。その１つは、交流電源１からの電圧Ｖｉｎを受けて、その正負の極性を判定する電圧極性判定器４２の出力信号４３であり、極性の正、負に対応する２値信号として与えられる。もう１つは、電圧Ｖｉｎの勾配の正負の極性を判定する勾配極性判定器４４の出力信号４５であり極性の正、負に対応する２値信号として与えられる。
【０４２９】
積分器切り替え器４６は、これらの２つの信号の組み合わせにより４パターンの切り替え信号を作り出し、積分器群４７の持つ４個の積分器の切り替えを行う。
【０４３０】
次に、加算器２００４において、電圧指令値２６に対して電圧指令値の補正値４９を加算し、補正後の電圧指令２７を得る。
【０４３１】
そして、補正後の電圧指令２７を用いて、ＰＷＭ制御部２９により半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａに対するゲート信号１４を生成する。
【０４３２】
以上説明した実施の形態７においては、実施の形態１〜６と同様に、所定条件ごとに積分器を切り替えることにより、所定条件で異なる定常偏差をそれぞれ適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０４３３】
＜実施の形態８＞
以上説明した実施の形態７では電力変換装置の入力にダイオードブリッジを備え、力行機能のみ備えた構成について示したが、実施の形態８では、ダイオードブリッジを備えない構成について説明する。
【０４３４】
図４３は、本発明に係る実施の形態８の電力変換装置８０００の概略構成を示す図である。
【０４３５】
図４３に示すように、電力変換装置８０００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ための主回路と制御回路１０Ｇとを備えている。
【０４３６】
主回路は、限流回路としてのリアクトル２と、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子９０１ａ〜９０４ａと、出力電圧を平滑する平滑コンデンサ３とを備えている。
【０４３７】
半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａ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し、それと並列して、半導体スイッチング素子９０３ａ、９０４ａ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し、２つのブリッジ回路でフルブリッジを構成している。平滑コンデンサ３は、直流母線３ａ、３ｂ間に接続されている。
【０４３８】
なお、半導体スイッチング素子９０１ａ〜９０４ａのそれぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード９０１ｂ〜９３０４ｂが逆並列に接続されているが、これらのダイオードは、半導体スイッチング素子９０１ａ〜９０４ａにそれぞれ内蔵された構成であっても良い。
【０４３９】
半導体スイッチング素子９０１ａ〜９０４ａは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ等を用いても良く、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。
【０４４０】
交流電源１は電力変換装置８０００の入力端子ｔ１（第１の入力端子）と入力端子ｔ２（第２の入力端子）の間に接続され、入力端子ｔ１がリアクトル２に接続され、リアクトル２は、半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａの接続点に接続されている。また、半導体スイッチング素子９０３ａ、９０４ａの接続点は、入力端子ｔ２に接続されている。
【０４４１】
また、電力変換装置８０００は、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃを測定する電圧計、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎを測定する電圧計、および交流電流Ｉｉｎを測定する電流計（何れも図示せず）を備えている。
【０４４２】
制御回路１０Ｆは、平滑コンデンサ３の直流電圧Ｖｄｃと、交流電源１からの交流電圧Ｖｉｎと、交流電流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、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、半導体スイッチング素子９０１ａ〜９０４ａに対するゲート信号１４を生成して、電力変換装置８０００の出力制御を行う。
【０４４３】
平滑コンデンサ３には図示しない負荷が接続され、直流電圧Ｖｄｃが目標電圧Ｖｄｃ＊に比べて低く、制御回路１０Ｇ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。
【０４４４】
＜動作＞
このように構成される電力変換装置８０００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説明する。
【０４４５】
制御回路１０Ｇは、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性が正極性の場合には、半導体スイッチング素子９０１ａをオフし、半導体スイッチング素子９０２ａをオンすることにより、交流入力を短絡し、リアクトル２を励磁する。そして、半導体スイッチング素子９０１ａをオンし、半導体スイッチング素子９０２ａをオフすることにより、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。このように半導体スイッチング素子９０１ａ、９０２ａをＰＷＭ制御することによって、平滑コンデンサ３の電圧Ｖｄｃと電流Ｉｉｎの制御を行うことができる。この場合、半導体スイッチング素子９０３ａをオフ状態、９０４ａをオン状態としている。
【０４４６】
一方、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎの極性が負極性の場合には、半導体スイッチング素子９０３ａ、９０４ａ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の電圧Ｖｄｃと電流Ｉｉｎの制御を行うことができる。この場合、半導体スイッチ９０１ａをオフ状態、９０２ａをオン状態としている。
【０４４７】
なお、交流電圧Ｖｉｎが正極性の場合は半導体スイッチング素子９０２ａをオン状態、負極性の場合は半導体スイッチング素子９０４ａをオン状態としていたが、電流はソース（エミッタ）からドレイン（コレクタ）の方向に流れるため、半導体スイッチング素子をオフ状態として逆並列接続されたダイオード９０２ｂ、９０４ｂに電流を流すように制御しても良い。また、力行動作のみの場合は、半導体スイッチング素子９０１ａ、９０３ａはダイオード９０１ｂ、９０３ｂのみで構成するものであっても良い。
【０４４８】
なお、制御回路１０Ｇの構成は図４２に示した制御回路１０Ｆの構成と同じであり、制御の詳細も同じであり、ＰＷＭ制御部２９により半導体スイッチング素子９０１ａ〜９０４ａに対するゲート信号１４を生成する。
【０４４９】
以上説明した実施の形態８においては、実施の形態１〜７と同様に、所定条件ごとに積分器を切り替えることにより、所定条件で異なる定常偏差をそれぞれ適切に補償し、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０４５０】
また、以上の説明においては、交流入力を直流出力する力行動作についてのみ示したが、回生動作であっても、電流制御において所定条件ごとに積分器を切り替えて演算することにより、電流Ｉｉｎの制御性を向上させることができる。
【０４５１】
また、実施の形態１〜８においては、電流指令値と検出された電流との差分電流（偏差）を積分器への入力としその積分値を電流制御の制御量としているが、制御量は、このように指令値と実測値の偏差自体を積分したものに限らず、偏差に係数を乗算した数値を積分器への入力としても良い。例えば、比例（Ｐ）制御の出力に対して、ある積分時間によって定義される係数を乗算した値を積分し、これを用いて制御量を求めるものであっても良い。
【０４５２】
また、実施の形態１〜８においては、電圧目標値と検出された電圧との差分から電流指令を演算する制御についてのみ示したが、これに限らず、所定の電流指令に対して制御量を求める制御であれば良い。
【０４５３】
また、実施の形態１〜８においては、交流電源１の一方の出力にリアクトル４を接続した構成を示したが、リアクトル４は省略することも可能である。また、交流電源１の出力に直列に位置する箇所に接続される構成であれば、リアクトル４はどこに接続されても良い。
【０４５４】
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たり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【０４５５】
３  平滑コンデンサ、４  整流回路、１０〜１０Ｇ  制御回路、４６、積分器切り替え器、４７  積分器群、１００，４００，６００  インバータ回路、１０５  直流電圧源、３００，３００Ａ，５００，７００  コンバータ回路、８００  ＤＣ／ＤＣ変換回路。
【図１】
2015023697.tif 000016
【図２】
2015023697.tif 000017
【図３】
2015023697.tif 000018
【図４】
2015023697.tif 000019
【図５】
2015023697.tif 000020
【図６】
2015023697.tif 000021
【図７】
2015023697.tif 000022
【図８】
2015023697.tif 000023
【図９】
2015023697.tif 000024
【図１０】
2015023697.tif 000025
【図１１】
2015023697.tif 000026
【図１２】
2015023697.tif 000027
【図１３】
2015023697.tif 000028
【図１４】
2015023697.tif 000029
【図１５】
2015023697.tif 000030
【図１６】
2015023697.tif 000031
【図１７】
2015023697.tif 000032
【図１８】
2015023697.tif 000033
【図１９】
2015023697.tif 000034
【図２０】
2015023697.tif 000035
【図２１】
2015023697.tif 000036
【図２２】
2015023697.tif 000037
【図２３】
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【図２４】
2015023697.tif 000039
【図２５】
2015023697.tif 000040
【図２６】
2015023697.tif 000041
【図２７】
2015023697.tif 000042
【図２８】
2015023697.tif 000043
【図２９】
2015023697.tif 000044
【図３０】
2015023697.tif 000045
【図３１】
2015023697.tif 000046
【図３２】
2015023697.tif 000047
【図３３】
2015023697.tif 000048
【図３４】
2015023697.tif 000049
【図３５】
2015023697.tif 000050
【図３６】
2015023697.tif 000051
【図３７】
2015023697.tif 000052
【図３８】
2015023697.tif 000053
【図３９】
2015023697.tif 000054
【図４０】
2015023697.tif 000055
【図４１】
2015023697.tif 000056
【図４２】
2015023697.tif 000057
【図４３】
2015023697.tif 000058
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月27日(2014.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４１】
インバータ回路１００の交流出力線には、コンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０１ａのソース（エミッタ）と半導体スイッチング素子３０２ａのドレイン（コレクタ）との接続点が接続されている。また、半導体スイッチング素子３０３ａのソース（エミッタ）と半導体スイッチング素子３０４ａのドレイン（コレクタ）との接続点は、入力端子ｔ２を介して交流電源１に接続されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６４】
この時、コンバータ回路３００Ａ内の他の半導体スイッチング素子３０１ａ、３０２ａ、および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３００Ａの半導体スイッチング素子３０４ａ、ダイオード３０２ｂを経てインバータ回路１００に入力され、直流電圧源１０５を充電してリアクトル２を経て交流電源１に戻る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６８】
以上説明したように、力行動作では、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３００Ａ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半導体スイッチング素子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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８６】
図１６に示すように、コンバータ回路３００Ａでは、半導体スイッチング素子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３００Ａの半導体スイッチング素子３０３ａを経て入力端子ｔ２から交流電源１に回生され、さらに入力端子ｔ１からリアクトル２を経てインバータ回路１００に入力され、インバータ回路１００からの電流はコンバータ回路３００Ａの半導体スイッチング素子３０２ａを経て平滑コンデンサ３の負極に戻る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２５４】
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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２６３】
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。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２７６】
積分器切り替え器４６には２つの信号が入力される。その１つは、コンバータ回路５００の出力制御のためのゲート信号１２を受けてオンとオフ、すなわち短絡期間であるか否かを判定する短絡期間判定器４０の出力信号４１であり、オン、オフに対応する２値信号として与えられる。