(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチおよびキャパシタを含み、直流電源の高電位側となる第１入力点と前記直流電源の低電位側となる第２入力点との間に電気的に接続された変換回路と、
前記複数のスイッチを制御することにより、第１出力点および第２出力点に対する前記直流電源および前記キャパシタの接続状態が異なる複数のモードを切り替えて、前記第１出力点と前記第２出力点との間に生じる出力電圧の大きさを、当該出力電圧の目標値に基づく信号波に従って複数段階に変化させる制御部と、
少なくとも１つのキャリア波からなる基準波を生成する生成部とを備え、
前記複数のモードは、前記キャパシタに電流を流さない維持モードと、電流を前記キャパシタに流すことにより前記キャパシタを充電する充電モードと、前記充電モードとは反対向きの電流を前記キャパシタに流すことにより前記キャパシタを放電する放電モードとに分類され、
前記制御部は、前記信号波と前記基準波との比較結果に応じて、前記維持モードと、前記充電モードまたは前記放電モードとを切り替えるように構成されており、
前記変換回路は、前記第１入力点と前記第２入力点との間に電気的に並列に接続された第１変換回路および第２変換回路と、前記第１変換回路と前記第２変換回路との間に電気的に接続された第１の双方向スイッチおよび第２の双方向スイッチとを備え、
前記第１変換回路は、前記第１入力点と前記第２入力点との間において、前記第１入力点側から第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子の順で、電気的に直列に接続された第１〜４のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子および前記第３のスイッチング素子の直列回路と電気的に並列に接続された第１キャパシタとを有しており、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子との接続点を前記第１出力点とし、
前記第２変換回路は、前記第１入力点と前記第２入力点との間において、前記第１入力点側から第５のスイッチング素子、第６のスイッチング素子、第７のスイッチング素子、第８のスイッチング素子の順で、電気的に直列に接続された第５〜８のスイッチング素子と、前記第６のスイッチング素子および前記第７のスイッチング素子の直列回路と電気的に並列に接続された第２キャパシタとを有しており、前記第６のスイッチング素子と前記第７のスイッチング素子との接続点を前記第２出力点とし、
前記第１の双方向スイッチは、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の接続点である第１接続点と前記第７のスイッチング素子および前記第８のスイッチング素子の接続点である第２接続点との間に接続され、
前記第２の双方向スイッチは、前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子の接続点である第３接続点と前記第５のスイッチング素子および前記第６のスイッチング素子の接続点である第４接続点との間に接続され、
前記複数のスイッチは、前記第１〜８のスイッチング素子と前記第１の双方向スイッチと前記第２の双方向スイッチとで構成されており、
前記キャパシタは、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとで構成されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記直流電源から前記第１入力点と前記第２入力点との間に印加される電圧の１／４の大きさの電圧を基準電圧として、
前記制御部は、前記第１キャパシタおよび前記第２キャパシタがそれぞれ前記基準電圧を中心に充電と放電とを繰り返すように、前記維持モードと、前記充電モードまたは前記放電モードとを切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１キャパシタの電圧を検出する第１検出部と、
前記第２キャパシタの電圧を検出する第２検出部とをさらに備え、
前記制御部は、前記第１検出部の検出結果と前記第２検出部の検出結果との平均値が前記基準電圧となるように、前記維持モードと、前記充電モードまたは前記放電モードとを切り替える
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記基準波の１周期内に前記充電モードと前記放電モードとの両方が含まれるように、前記基準波の１周期内で前記充電モードと前記放電モードとを切り替える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記キャパシタの電圧を検出する検出回路をさらに備え、
前記制御部は、前記検出回路で検出される前記キャパシタの電圧に応じて、前記基準波の１周期に占める前記充電モードと前記放電モードとのそれぞれの割合を調節する
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記検出回路で検出される前記キャパシタの電圧が目標範囲の下限値よりも小さければ前記充電モードの割合を大きくし、前記検出回路で検出される前記キャパシタの電圧が前記目標範囲の上限値よりも大きければ前記放電モードの割合を大きくする
ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記生成部は、前記基準波として１つの連続したキャリア波を生成し、
前記制御部は、前記キャリア波の上昇と下降との判定結果に応じて、前記充電モードと前記放電モードとを切り替える
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記生成部は、前記基準波として位相差を有する複数のキャリア波を生成し、
前記制御部は、前記複数のキャリア波の各々と前記信号波との比較結果に応じて、前記充電モードと前記放電モードとを切り替える
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記基準波の１周期内に前記充電モードと前記放電モードとの一方のみが含まれるように、前記基準波の１周期ごとに前記充電モードと前記放電モードとのいずれかを選択する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記キャパシタの電圧を検出する検出回路をさらに備え、
前記制御部は、前記検出回路で検出される前記キャパシタの電圧に応じて、前記基準波の１周期ごとに前記充電モードと前記放電モードとのいずれかを選択する
ことを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記検出回路で検出される前記キャパシタの電圧が目標範囲の下限値よりも小さければ前記充電モードを選択し、前記検出回路で検出される前記キャパシタの電圧が前記目標範囲の上限値よりも大きければ前記放電モードを選択する
ことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記直流電源より前記変換回路への電力の供給が開始してから前記キャパシタが所定電圧に充電されるまでの始動期間には、前記充電モードを常に選択する
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記第１出力点および前記第２出力点と系統電源との間に電気的に接続される解列器とを備える
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電力変換装置、およびそれを用いたパワーコンディショナに関し、より詳細には直流電源からの電力を変換する電力変換装置、およびそれを用いたパワーコンディショナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、住宅用の太陽光発電装置や燃料電池、蓄電装置などの普及に伴い、これらの直流電源の出力を交流に変換する電力変換装置として、多様な回路が提案され、提供されている。たとえば特許文献１，２には、直流電圧源から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成する電力変換装置（特許文献１では「マルチレベル電力変換装置」、特許文献２では「コンバータ回路」）が開示されている。
【０００３】
特許文献１の記載によれば、電力変換装置は、５レベルの電圧を出力する５レベルインバータであって、２個の直流キャパシタと、２個のフライングキャパシタと、１０個のスイッチング素子とを備えている。この電力変換装置は、２個の直流キャパシタの直列回路に直流電圧Ｅが印加された状態で、各直流キャパシタの電圧がＥ／２となり、各フライングキャパシタの電圧がＥ／４となるように各スイッチング素子を制御することで、５レベルの電圧を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−６４４３１号公報（段落〔０００２〕〜〔０００６〕、図１６，１７）
【特許文献２】特許第４３６９４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような構成の電力変換装置は、出力電圧が異なる複数のモードに、キャパシタ（フライングキャパシタ）の放電によって出力電圧を生じるモードを含んでいる。そのため、キャパシタの電圧は常に一定に保たれる訳ではなく、電力変換装置は、キャパシタの電圧が比較的大きく変動した場合には、所望の出力電圧が得られなくなる可能性がある。そして、キャパシタの電圧変動が生じにくいように比較的大容量のキャパシタを用いると、キャパシタのサイズが大きくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されており、キャパシタの小型化を図ることができる電力変換装置、およびそれを用いたパワーコンディショナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、複数のスイッチおよびキャパシタを含み、直流電源の高電位側となる第１入力点と前記直流電源の低電位側となる第２入力点との間に電気的に接続された変換回路と、前記複数のスイッチを制御することにより、第１出力点および第２出力点に対する前記直流電源および前記キャパシタの接続状態が異なる複数のモードを切り替えて、前記第１出力点と前記第２出力点との間に生じる出力電圧の大きさを、当該出力電圧の目標値に基づく信号波に従って複数段階に変化させる制御部と、少なくとも１つのキャリア波からなる基準波を生成する生成部とを備え、前記複数のモードは、前記キャパシタに電流を流さない維持モードと、電流を前記キャパシタに流すことにより前記キャパシタを充電する充電モードと、前記充電モードとは反対向きの電流を前記キャパシタに流すことにより前記キャパシタを放電する放電モードとに分類され、前記制御部は、前記信号波と前記基準波との比較結果に応じて、前記維持モードと、前記充電モードまたは前記放電モードとを切り替えるように構成されており、前記変換回路は、前記第１入力点と前記第２入力点との間に電気的に並列に接続された第１変換回路および第２変換回路と、前記第１変換回路と前記第２変換回路との間に電気的に接続された第１の双方向スイッチおよび第２の双方向スイッチとを備え、前記第１変換回路は、前記第１入力点と前記第２入力点との間において、前記第１入力点側から第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子の順で、電気的に直列に接続された第１〜４のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子および前記第３のスイッチング素子の直列回路と電気的に並列に接続された第１キャパシタとを有しており、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子との接続点を前記第１出力点とし、前記第２変換回路は、前記第１入力点と前記第２入力点との間において、前記第１入力点側から第５のスイッチング素子、第６のスイッチング素子、第７のスイッチング素子、第８のスイッチング素子の順で、電気的に直列に接続された第５〜８のスイッチング素子と、前記第６のスイッチング素子および前記第７のスイッチング素子の直列回路と電気的に並列に接続された第２キャパシタとを有しており、前記第６のスイッチング素子と前記第７のスイッチング素子との接続点を前記第２出力点とし、前記第１の双方向スイッチは、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の接続点である第１接続点と前記第７のスイッチング素子および前記第８のスイッチング素子の接続点である第２接続点との間に接続され、前記第２の双方向スイッチは、前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子の接続点である第３接続点と前記第５のスイッチング素子および前記第６のスイッチング素子の接続点である第４接続点との間に接続され、前記複数のスイッチは、前記第１〜８のスイッチング素子と前記第１の双方向スイッチと前記第２の双方向スイッチとで構成されており、前記キャパシタは、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとで構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のパワーコンディショナは、上記の電力変換装置と、前記第１出力点および前記第２出力点と系統電源との間に電気的に接続される解列器とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、キャパシタの小型化を図ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図２】図２Ａは実施形態１に係る電力変換装置の第１のモードの説明図、図２Ｂは実施形態１に係る電力変換装置の第２のモードの説明図である。
【図３】図３Ａは実施形態１に係る電力変換装置の第３のモードの説明図、図３Ｂは実施形態１に係る電力変換装置の第４のモードの説明図である。
【図４】図４Ａは実施形態１に係る電力変換装置の第５のモードの説明図、図４Ｂは実施形態１に係る電力変換装置の第６のモードの説明図である。
【図５】図５Ａは実施形態１に係る電力変換装置の第７のモードの説明図、図５Ｂは実施形態１に係る電力変換装置の第８のモードの説明図である。
【図６】実施形態１に係る電力変換装置の出力電圧の波形図である。
【図７】実施形態１に係るパワーコンディショナの構成を示す概略図である。
【図８】実施形態１の参考例における信号波と基準波との関係を示す波形図である。
【図９】実施形態１の参考例における信号波と基準波との関係を示す波形図である。
【図１０】実施形態１における信号波と基準波との関係を示す波形図である。
【図１１】実施形態１に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】実施形態１に係る電力変換装置の他の動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】実施形態２の参考例における信号波と基準波との関係を示す波形図である。
【図１４】実施形態２の参考例における信号波と基準波との関係を示す波形図である。
【図１５】実施形態２における信号波と基準波との関係を示す波形図である。
【図１６】実施形態２に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１７】実施形態３に係る電力変換装置の動作を示すフローチャートである。
【図１８】実施形態３に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態１）
本実施形態に係る電力変換装置１は、図１に示すように、変換回路１０と、制御部６と、生成部３とを備えている。
【００１２】
変換回路１０は、複数のスイッチおよびキャパシタを含んでいる。変換回路１０は、直流電源１００の高電位側となる第１入力点１０１と直流電源１００の低電位側となる第２入力点１０２との間に電気的に接続されている。図１の例では、上記複数のスイッチは、第１〜８のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８と第１の双方向スイッチ１３と第２の双方向スイッチ１４とで構成されている。また、図１の例では、上記キャパシタは、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２とで構成されている。
【００１３】
制御部６は、上記複数のスイッチを制御することにより、第１出力点１０３および第２出力点１０４に対する直流電源１００および上記キャパシタの接続状態が異なる複数のモードを切り替える。これにより、制御部６は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０の大きさを、当該出力電圧Ｖ２０の目標値に基づく信号波に従って複数段階に変化させる。
【００１４】
生成部３は、少なくとも１つのキャリア波からなる基準波を生成する。
【００１５】
ここにおいて、上記複数のモードは、上記キャパシタに電流を流さない維持モードと、電流を上記キャパシタに流す充電モードと、上記充電モードとは反対向きの電流を上記キャパシタに流す放電モードとに分類される。つまり、上記充電モードは、電流を上記キャパシタに流すことにより上記キャパシタを充電するモードであり、上記放電モードは、上記充電モードとは反対向きの電流を上記キャパシタに流すことにより上記キャパシタを放電するモードである。
【００１６】
制御部６は、上記信号波と上記基準波との比較結果に応じて、上記維持モードと、上記充電モードまたは上記放電モードとを切り替えるように構成されている。
【００１７】
この構成によれば、電力変換装置１は、信号波と基準波との比較結果に応じて、キャパシタの充電および放電を行わない維持モードと、キャパシタの充電を行う充電モードまたはキャパシタの放電を行う放電モードとを切り替えている。すなわち、電力変換装置１は、基準波を構成する少なくとも１つのキャリア波の周期に応じて、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることができる。したがって、電力変換装置１は、キャリア波の周波数を高く（つまり周期を短く）することで、細目にキャパシタの充電と放電とを切り替えることができ、キャパシタの電圧変動を極力小さく抑えることができる。その結果、比較的小容量のキャパシタを用いながらも、電力変換装置１は、キャパシタの電圧変動を抑制し、所望の出力電圧Ｖ２０を得ることが可能であるから、キャパシタの小型化を図ることができる、という利点がある。
【００１８】
具体的には、本実施形態においては、図１に示すように、変換回路１０は、第１変換回路１１および第２変換回路１２と、第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４とを備えている。第１変換回路１１と第２変換回路１２とは、第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に、電気的に並列に接続されている。第１の双方向スイッチ１３と第２の双方向スイッチ１４とは、第１変換回路１１と第２変換回路１２との間に電気的に接続されている。
【００１９】
第１変換回路１１は、第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、第１キャパシタＣ１とを有している。ここで、第１変換回路１１は、第２のスイッチング素子Ｑ２と第３のスイッチング素子Ｑ３との接続点を第１出力点１０３とする。
【００２０】
第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１入力点１０１と第２入力点１０２との間において、電気的に直列に接続されている。第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１入力点１０１側から第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３、第４のスイッチング素子Ｑ４の順で、直列に接続されている。第１キャパシタＣ１は、第２のスイッチング素子Ｑ２および第３のスイッチング素子Ｑ３の直列回路と、電気的に並列に接続されている。
【００２１】
第２変換回路１２は、第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８と、第２キャパシタＣ２とを有している。ここで、第２変換回路１２は、第６のスイッチング素子Ｑ６と第７のスイッチング素子Ｑ７との接続点を第２出力点１０４とする。
【００２２】
第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、第１入力点１０１と第２入力点１０２との間において、電気的に直列に接続されている。第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、第１入力点１０１側から第５のスイッチング素子Ｑ５、第６のスイッチング素子Ｑ６、第７のスイッチング素子Ｑ７、第８のスイッチング素子Ｑ８の順で、直列に接続されている。第２キャパシタＣ２は、第６のスイッチング素子Ｑ６および第７のスイッチング素子Ｑ７の直列回路と、電気的に並列に接続されている。
【００２３】
第１の双方向スイッチ１３は、第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子Ｑ２の接続点である第１接続点２０１と第７のスイッチング素子Ｑ７および第８のスイッチング素子Ｑ８の接続点である第２接続点２０２との間に電気的に接続されている。
【００２４】
第２の双方向スイッチ１４は、第３のスイッチング素子Ｑ３および第４のスイッチング素子Ｑ４の接続点である第３接続点２０３と第５のスイッチング素子Ｑ５および第６のスイッチング素子Ｑ６の接続点である第４接続点２０４との間に電気的に接続されている。
【００２５】
そして、上述したように、第１〜８のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８と第１の双方向スイッチ１３と第２の双方向スイッチ１４とは上記複数のスイッチを構成し、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２とは上記キャパシタを構成している。
【００２６】
以下、本実施形態に係る電力変換装置１、およびそれを用いたパワーコンディショナ２０（図７参照）について詳しく説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は、下記実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
【００２７】
本実施形態では、パワーコンディショナ２０が、直流電源１００としての太陽光発電装置に電気的に接続して使用される住宅用のパワーコンディショナである場合を例示するが、パワーコンディショナ２０の用途を限定する趣旨ではない。パワーコンディショナ２０は、たとえば家庭用燃料電池、蓄電装置など、太陽光発電装置以外の直流電源１００に電気的に接続して使用されてもよく、また、たとえば店舗、工場、事務所など非住宅に用いられてもよい。さらに、電力変換装置１についても、その用途をパワーコンディショナ２０に限定する趣旨ではなく、電力変換装置１は、パワーコンディショナ２０以外に用いられてもよい。
【００２８】
＜電力変換装置の構成＞
本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すように、直流電源１００に電気的に接続される。ここでは直流電源１００は太陽光発電装置からなるので、電力変換装置１は接続箱を介して直流電源１００に接続されることになる。
【００２９】
本実施形態の電力変換装置１は、変換回路（第１変換回路１１、第２変換回路１２、第１の双方向スイッチ１３、および第２の双方向スイッチ１４）１０と制御部６と生成部３とに加えて、フィルタ回路５と第１検出部２１と第２検出部２２とをさらに備えている。
【００３０】
第１入力点１０１および第２入力点１０２は電力変換装置１における一対の入力端子となり、一対の入力端子（第１入力点１０１および第２入力点１０２）間には直流電源１００が電気的に接続される。
【００３１】
また、第１変換回路１１の第１出力点１０３および第２変換回路１２の第２出力点１０４は、それぞれフィルタ回路５を介して第３出力点１０５および第４出力点１０６に電気的に接続されている。本実施形態では、これら第３出力点１０５および第４出力点１０６が電力変換装置１における一対の出力端子となる。以下、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に発生する第１出力電圧Ｖ１０を、単に「出力電圧Ｖ１０」ともいう。
【００３２】
本実施形態において、電力変換装置１の出力電圧Ｖ１０は交流電圧であり、第３出力点１０５および第４出力点１０６は、系統電源（商用電力系統）７に電気的に接続される。さらに、第３出力点１０５および第４出力点１０６には、交流電力の供給を受けて動作する負荷８が電気的に接続される。
【００３３】
具体的には、電力変換装置１の一対の出力端子は、分電盤に設けられた連系ブレーカに電気的に接続されることにより、負荷８および系統電源７に接続される。すなわち、電力変換装置１は、直流電源１００から入力される直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を一対の出力端子（第３出力点１０５および第４出力点１０６）から負荷８および系統電源７へ出力する。なお、図１において、系統電源７はＵ相、Ｗ相を持つ単相３線式であるが、この例に限らず系統電源７は単相２線式であってもよい。
【００３４】
次に、電力変換装置１の各部の構成について詳しく説明する。
【００３５】
電力変換装置１は、直流電源１００に接続された一対の入力端子のうち、直流電源１００の高電位（正極）側の入力端子を第１入力点１０１とし、直流電源１００の低電位（負極）側の入力端子を第２入力点１０２とする。そのため、第１入力点１０１と第２入力点１０２との間には、直流電源１００から出力される直流電圧が、入力電圧として印加されることになる。
【００３６】
ここで、直流電源１００の低電位側の入力端子（第２入力点１０２）は、電力変換装置１の回路グランドであって、その電位は０〔Ｖ〕であると仮定する。そうすると、直流電源１００の出力する直流電圧Ｅ〔Ｖ〕を用いて、第１入力点１０１の電位はＥ〔Ｖ〕で表されることになる。
【００３７】
第１変換回路１１は、上述したように第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に直列に接続された第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、第１キャパシタＣ１とを有している。第１〜４の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ここでは一例としてデプレッション型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。
【００３８】
第１のスイッチング素子Ｑ１のドレインは第１入力点１０１に電気的に接続されている。第２のスイッチング素子Ｑ２のドレインは第１のスイッチング素子Ｑ１のソースに電気的に接続されている。第３のスイッチング素子Ｑ３のドレインは第２のスイッチング素子Ｑ２のソースに電気的に接続されている。第４のスイッチング素子Ｑ４のドレインは第３のスイッチング素子Ｑ３のソースに電気的に接続されている。さらに第４のスイッチング素子Ｑ４のソースは、第２入力点１０２に電気的に接続されている。
【００３９】
ここで、第２のスイッチング素子Ｑ２のソース（第３のスイッチング素子Ｑ３のドレイン）は第１出力点１０３となる。さらに、第１のスイッチング素子Ｑ１のソース（第２のスイッチング素子Ｑ２のドレイン）は第１接続点２０１となり、第３のスイッチング素子Ｑ３のソース（第４のスイッチング素子Ｑ４のドレイン）は第３接続点２０３となる。
【００４０】
第１キャパシタＣ１は、一端が第２のスイッチング素子Ｑ２のドレイン（第１接続点２０１）に電気的に接続され、他端が第３のスイッチング素子Ｑ３のソース（第３接続点２０３）に電気的に接続されている。言い換えれば、第１キャパシタＣ１は、一端が第１のスイッチング素子Ｑ１を介して第１入力点１０１に電気的に接続され、他端が第４のスイッチング素子Ｑ４を介して第２入力点１０２に電気的に接続されている。
【００４１】
第２変換回路１２は、上述したように第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に直列に接続された第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８と、第２キャパシタＣ２とを有している。ここで、第２変換回路１２は、基本的には第１変換回路１１と同様の構成であって、第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８が第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に相当し、第２キャパシタＣ２が第１キャパシタＣ１に相当する。ここで、第５〜８の各スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、第１〜４の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と同様にデプレッション型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。
【００４２】
すなわち、第５のスイッチング素子Ｑ５のドレインは第１入力点１０１に電気的に接続されている。第６のスイッチング素子Ｑ６のドレインは第５のスイッチング素子Ｑ５のソースに電気的に接続されている。第７のスイッチング素子Ｑ７のドレインは第６のスイッチング素子Ｑ６のソースに電気的に接続されている。第８のスイッチング素子Ｑ８のドレインは第７のスイッチング素子Ｑ７のソースに電気的に接続されている。さらに第８のスイッチング素子Ｑ８のソースは、第２入力点１０２に電気的に接続されている。
【００４３】
ここで、第６のスイッチング素子Ｑ６のソース（第７のスイッチング素子Ｑ７のドレイン）は第２出力点１０４となる。さらに、第５のスイッチング素子Ｑ５のソース（第６のスイッチング素子Ｑ６のドレイン）は第４接続点２０４となり、第７のスイッチング素子Ｑ７のソース（第８のスイッチング素子Ｑ８のドレイン）は第２接続点２０２となる。
【００４４】
第２キャパシタＣ２は、一端が第６のスイッチング素子Ｑ６のドレイン（第４接続点２０４）に電気的に接続され、他端が第７のスイッチング素子Ｑ７のソース（第２接続点２０２）に電気的に接続されている。言い換えれば、第２キャパシタＣ２は、一端が第５のスイッチング素子Ｑ５を介して第１入力点１０１に電気的に接続され、他端が第８のスイッチング素子Ｑ８を介して第２入力点１０２に電気的に接続されている。
【００４５】
第２キャパシタＣ２の回路定数（キャパシタンス）と第１キャパシタＣ１の回路定数（キャパシタンス）とは同値である。
【００４６】
また、図１において、第１〜８のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の各々には第１〜８のダイオードＤ１〜Ｄ８がそれぞれ逆並列に接続されている。これら第１〜８のダイオードＤ１〜Ｄ８は、それぞれ第１〜８の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の寄生ダイオードである。つまり、第１のスイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードは第１のダイオードＤ１を構成し、同様に、第２，３…の各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３…の寄生ダイオードはそれぞれ第２，３…のダイオードＤ２，Ｄ３…を構成する。たとえば第１のダイオードＤ１は、第１のスイッチング素子Ｑ１のドレイン側をカソード、ソース側をアノードとする向きに接続されている。
【００４７】
このように構成される第１変換回路１１と第２変換回路１２とは、第１入力点１０１と第２入力点１０２との間において、電気的に並列に接続されている。つまり、第１変換回路１１と第２変換回路１２とは、直流電源１００の両端間に並列に接続されている。
【００４８】
第１の双方向スイッチ１３は、第１接続点２０１と第２接続点２０２との間に電気的に接続されている。つまり、第１変換回路１１の第１接続点２０１は、第１の双方向スイッチ１３を介して第２変換回路１２の第２接続点２０２に電気的に接続されている。ここでは、第１の双方向スイッチ１３は、第１接続点２０１と第２接続点２０２との間において、電気的に直列に接続された第９のスイッチング素子Ｑ９と第１０のスイッチング素子Ｑ１０とを有している。第１の双方向スイッチ１３は、第１接続点２０１側から第９のスイッチング素子Ｑ９、第１０のスイッチング素子Ｑ１０の順に接続されている。
【００４９】
具体的に説明すると、第９，１０の各スイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０は、第１〜８の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８と同様にデプレッション型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。第９のスイッチング素子Ｑ９のソースは第１接続点２０１に接続され、第９のスイッチング素子Ｑ９のドレインは第１０のスイッチング素子Ｑ１０のドレインに接続されている。第１０のスイッチング素子Ｑ１０のソースは第２接続点２０２に接続されている。要するに、第９のスイッチング素子Ｑ９と第１０のスイッチング素子Ｑ１０とは、ドレイン同士が互いに接続されるように、第１接続点２０１と第２接続点２０２との間において逆直列に接続されている。
【００５０】
第２の双方向スイッチ１４は、第３接続点２０３と第４接続点２０４との間に電気的に接続されている。つまり、第１変換回路１１の第３接続点２０３は、第２の双方向スイッチ１４を介して第２変換回路１２の第４接続点２０４に電気的に接続されている。ここでは、第２の双方向スイッチ１４は、第３接続点２０３と第４接続点２０４との間において、電気的に直列に接続された第１２のスイッチング素子Ｑ１２と第１１のスイッチング素子Ｑ１１とを有している。第２の双方向スイッチ１４は、第３接続点２０３側から第１２のスイッチング素子Ｑ１２、第１１のスイッチング素子Ｑ１１の順に接続されている。
【００５１】
具体的に説明すると、第１１，１２の各スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、第１〜８の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８と同様にデプレッション型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。第１１のスイッチング素子Ｑ１１のソースは第４接続点２０４に接続され、第１１のスイッチング素子Ｑ１１のドレインは第１２のスイッチング素子Ｑ１２のドレインに接続されている。第１２のスイッチング素子Ｑ１２のソースは第３接続点２０３に接続されている。要するに、第１１のスイッチング素子Ｑ１１と第１２のスイッチング素子Ｑ１２とは、ドレイン同士が互いに接続されるように、第３接続点２０３と第４接続点２０４との間において逆直列に接続されている。
【００５２】
また、第９〜１２のスイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２の各々には第９〜１２のダイオードＤ９〜Ｄ１２がそれぞれ逆並列に接続されている。これら第９〜１２のダイオードＤ９〜Ｄ１２は、それぞれ第９〜１２の各スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２の寄生ダイオードである。つまり、第９のスイッチング素子Ｑ９の寄生ダイオードは第９のダイオードＤ９を構成し、同様に、第１０，１１，１２の各スイッチング素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２の寄生ダイオードはそれぞれ第１０，１１，１２のダイオードＤ１０，Ｄ１１，Ｄ１２を構成する。たとえば第９のダイオードＤ９は、第９のスイッチング素子Ｑ９のドレイン側をカソード、ソース側をアノードとする向きに接続されている。
【００５３】
本実施形態においては、第１の双方向スイッチ１３は、全オフ状態と全オン状態とを含む動作状態を切替可能に構成されている。第１の双方向スイッチ１３の全オフ状態は、第１接続点２０１と第２接続点２０２との間で双方向の電流を遮断する状態である。第１の双方向スイッチ１３の全オン状態は、第１接続点２０１と第２接続点２０２との間で双方向の電流を通過させる状態である。第２の双方向スイッチ１４も同様に、全オフ状態と全オン状態とを含む動作状態を切替可能に構成されている。第２の双方向スイッチ１４の全オフ状態は、第３接続点２０３と第４接続点２０４との間で双方向の電流を遮断する状態である。第２の双方向スイッチ１４の全オン状態は、第３接続点２０３と第４接続点２０４との間で双方向の電流を通過させる状態である。
【００５４】
さらに、本実施形態では、第１の双方向スイッチ１３の動作状態は、第２接続点２０２から第１接続点２０１へ流れる電流を遮断し、且つ第１接続点２０１から第２接続点２０２へ流れる電流を通過させる半オン状態をさらに含んでいる。また、第２の双方向スイッチ１４の動作状態は、第３接続点２０３から第４接続点２０４へ流れる電流を遮断し、且つ第４接続点２０４から第３接続点２０３へ流れる電流を通過させる半オン状態をさらに含んでいる。
【００５５】
そのため、本実施形態の電力変換装置１は、第１の双方向スイッチ１３を全オン状態とすることにより、第１接続点２０１と第２接続点２０２との間を双方向の電流が通過可能な状態を作り出すことができる。また、本実施形態の電力変換装置１は、第２の双方向スイッチ１４を全オン状態とすることにより、第３接続点２０３と第４接続点２０４との間を双方向の電流が通過可能な状態を作り出すことができる。
【００５６】
すなわち、第１の双方向スイッチ１３は、第９，１０のスイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０がいずれもオフの状態で全オフ状態となり、第９，１０のスイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０がいずれもオンの状態で全オン状態となる。さらに、第１の双方向スイッチ１３は、第１０のスイッチング素子Ｑ１０がオンで且つ第９のスイッチング素子Ｑ９がオフの状態には、第９のダイオードＤ９によって電流の向きが一方向に制限される半オン状態となる。
【００５７】
また、第２の双方向スイッチ１４は、第１１，１２のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２がいずれもオフの状態で全オフ状態となり、第１１，１２のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２がいずれもオンの状態で全オン状態となる。さらに、第２の双方向スイッチ１４は、第１２のスイッチング素子Ｑ１２がオンで且つ第１１のスイッチング素子Ｑ１１がオフの状態には、第１１のダイオードＤ１１によって電流の向きが一方向に制限される半オン状態となる。
【００５８】
このように、本実施形態における双方向スイッチ（第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４のそれぞれ）は、全オフ状態、全オン状態、および半オン状態からなる３つの動作状態を切替可能である。
【００５９】
上記構成を言い換えれば、第１の双方向スイッチ１３は、第１キャパシタＣ１の正極側の端子と第２キャパシタＣ２の負極側の端子との間に電気的に接続されている。第２の双方向スイッチ１４は、第１キャパシタＣ１の負極側の端子と第２キャパシタＣ２の正極側の端子との間に電気的に接続されている。つまり、第１変換回路１１の第１キャパシタＣ１と第２変換回路１２の第２キャパシタＣ２とは、第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４を介して、たすき掛け状に接続されている。
【００６０】
さらに、第１〜８のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８、並びに第９〜１２のスイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２のゲートは、それぞれ制御部６に電気的に接続されている。制御部６は、第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン／オフを個別に切り替え可能であって、これにより第１変換回路１１を制御する。また、制御部６は、第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８のオン／オフを個別に切り替え可能であって、これにより第２変換回路１２を制御する。また、制御部６は、第９，１０のスイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０のオン／オフを個別に切り替え可能であって、これにより第１の双方向スイッチ１３を制御する。また、制御部６は、第１１，１２のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のオン／オフを個別に切り替え可能であって、これにより第２の双方向スイッチ１４を制御する。
【００６１】
なお、制御部６は、第１変換回路１１、第２変換回路１２、第１の双方向スイッチ１３、第２の双方向スイッチ１４のそれぞれについて個別に設けられていてもよい。
【００６２】
本実施形態では、制御部６は、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２に駆動信号を与えるドライブ回路６１と、ドライブ回路６１に信号を与えるマイコン（マイクロコンピュータ）６２とを有している。
【００６３】
ドライブ回路６１は、第１〜１２の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２の制御端子（ゲート）に対して駆動信号を与えることにより、各素子を個別に駆動（制御）するように構成されている。マイコン６２は、ドライブ回路６１にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を与えることにより、ドライブ回路６１を制御するように構成されている。すなわち、制御部６は、マイコン６２からの指示に応じてドライブ回路６１が生成する駆動信号によって、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を個別に制御する。
【００６４】
ここにおいて、ドライブ回路６１は、２つ以上のスイッチング素子が同時にオンして、短絡電流が流れることを防止する短絡防止回路としての機能を兼ね備えていることが好ましい。すなわち、特定の組み合わせのスイッチング素子が同時にオンすると、たとえば第１入力点１０１と第２入力点１０２との間が短絡し、直流電源１００からの電流が短絡電流となってスイッチング素子に流れる可能性がある。そこで、ドライブ回路６１は、このような特定の組み合わせのスイッチング素子が同時にオンしないように構成されることが好ましい。たとえば、ドライブ回路６１は、特定の組み合わせのスイッチング素子のゲートに入力される駆動信号が同時にＨレベルになると、駆動信号を強制的にＬレベルに落とすことにより、特定の組み合わせのスイッチング素子を同時にオンさせないように構成される。
【００６５】
生成部３は、少なくとも１つのキャリア波からなる基準波を生成する。本実施形態では、三角波をキャリア波の例とする。そのため、生成部３は三角波発振器で構成される。生成部３で生成された基準波（１ないし複数のキャリア波）は、制御部６のマイコン６２へ出力され、マイコン６２においてＰＷＭ信号を生成するのに使用される。つまり、マイコン６２は、三角波である基準波と出力電圧Ｖ２０（あるいは第１出力電圧Ｖ１０）の目標値に基づく信号波とを比較する三角波比較方式により、ＰＷＭ信号を生成する。本実施形態の電力変換装置１は、上述したようにパワーコンディショナ２０（図７参照）に用いられるので、出力電圧Ｖ１０の目標値に基づく信号波は系統電源７と同じ正弦波に基づく波形となる。基準波の具体例や、ＰＷＭ信号の生成方法の詳細については後述する。
【００６６】
なお、ＰＷＭ信号の生成は、基準波を生成する機能と、基準波および信号波を比較する機能とがあれば実現可能である。したがって、本実施形態では基準波を生成する生成部３が、ＰＷＭ信号を生成するマイコン６２と別に設けられているが、生成部３は制御部（マイコン６２）６に組み込まれていてもよい。また、制御部６は、マイコン６２の代わりに比較器（コンパレータ）を用いて、信号波と基準波との比較を行い、ＰＷＭ信号を生成するように構成されていてもよい。
【００６７】
フィルタ回路５は、図１に示すように、一対のインダクタＬ１，Ｌ２と、第３キャパシタＣ３とを有している。一方のインダクタＬ１は、第１出力点１０３と第３出力点１０５との間に電気的に接続されている。他方のインダクタＬ２は、第２出力点１０４と第４出力点１０６との間に電気的に接続されている。ただし、インダクタＬ１，Ｌ２は、第１出力点１０３および第２出力点１０４の少なくとも一方と出力端子（第３出力点１０５、第４出力点１０６）との間に電気的に接続されていればよく、インダクタＬ１，Ｌ２のいずれかは省略されていてもよい。
【００６８】
第３キャパシタＣ３は、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に電気的に接続されている。言い換えれば、フィルタ回路５は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に電気的に接続された、インダクタＬ１、第３キャパシタＣ３、インダクタＬ２の直列回路である。
【００６９】
第１検出部２１は、第１キャパシタＣ１の電圧を検出するように構成されている。ここでは、第１検出部２１は、第１キャパシタＣ１の両端に発生する電圧Ｖ１の大きさを、第１接続点２０１側を正極として検出する。第１検出部２１は、たとえば第１接続点２０１と第３接続点２０３との間に直列に接続された一対の分圧抵抗で構成される。ただし、第１検出部２１の構成はこれに限らず、第１キャパシタＣ１の両端に発生する電圧（両端電圧）Ｖ１の値（大きさ）を検出可能な構成であればよい。第１検出部２１は、検出結果である電圧Ｖ１の値を、制御部６のマイコン６２へ出力する。
【００７０】
第２検出部２２は、第２キャパシタＣ２の電圧を検出するように構成されている。ここでは、第２検出部２２は、第２キャパシタＣ２の両端に発生する電圧Ｖ２の大きさを、第４接続点２０４側を正極として検出する。第２検出部２２は、たとえば第４接続点２０４と第２接続点２０２との間に直列に接続された一対の分圧抵抗で構成される。ただし、第２検出部２２の構成はこれに限らず、第２キャパシタＣ２の両端に発生する電圧（両端電圧）Ｖ２の値（大きさ）を検出可能な構成であればよい。第２検出部２２は、検出結果である電圧Ｖ２の値を、制御部６のマイコン６２へ出力する。
【００７１】
本実施形態では、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）の電圧を検出する検出回路は、第１検出部２１および第２検出部２２にて構成されている。さらに、詳しくは後述するが、検出回路の検出結果、つまり検出回路で検出されるキャパシタの電圧は、第１検出部２１の検出結果（第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１）と第２検出部２２の検出結果（第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２）との平均値である。第１検出部２１および第２検出部２２の検出結果を用いた制御部６の動作については後述する。
【００７２】
＜電力変換装置の基本動作＞
上述した構成の電力変換装置１の基本動作について、図２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂを参照して簡単に説明する。なお、図中、太線矢印は電流経路を表し、点線の丸印が付されたスイッチング素子はオン状態の素子を表している。
【００７３】
ここでいう電力変換装置１の基本動作とは、直流電源１００より電力の供給が開始してから第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２が基準電圧に充電されるまでの期間（以下、「始動期間」という）の経過後の電力変換装置１の動作である。つまり、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２が基準電圧に充電された状態からの電力変換装置１の動作を、電力変換装置１の基本動作とする。
【００７４】
第１キャパシタＣ１についての基準電圧は、直流電源１００から第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に印加される印加電圧の１／４の大きさの電圧である。第２キャパシタＣ２についての基準電圧も、同様に直流電源１００から第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に印加される印加電圧の１／４の大きさの電圧である。
【００７５】
以下では、直流電源１００の出力電圧がＥ〔Ｖ〕であって、第１入力点１０１の電位はＥ〔Ｖ〕、第２入力点１０２の電位は０〔Ｖ〕であると仮定する。ここで、基準電圧に充電された第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２との各々の両端電圧はＥ／４〔Ｖ〕となる。以下では、第１出力点１０３と第２出力点１０４との電位差、つまり第１出力点１０３−第２出力点１０４間に生じる電圧を、第２出力電圧Ｖ２０として説明する。第２出力電圧Ｖ２０を、単に「出力電圧Ｖ２０」ともいう。
【００７６】
なお、第３出力点１０５および第４出力点１０６は系統電源７に電気的に接続されているため、第３出力点１０５と第４出力点１０６との電位差、つまり第３出力点１０５−第４出力点１０６間に生じる第１出力電圧Ｖ１０は、系統電源７の出力電圧に等しくなる。第１出力点１０３と第３出力点１０５との電位差、並びに第２出力点１０４と第４出力点１０６との間の電位差は、フィルタ回路５にて吸収されることになる。
【００７７】
電力変換装置１は、第１変換回路１１、第２変換回路１２、第１の双方向スイッチ１３、第２の双方向スイッチ１４を第１〜８の計８つのモードに切り替える。これにより、電力変換装置１は、第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に印加される直流電圧（Ｅ〔Ｖ〕）を交流電圧に変換して、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に出力電圧Ｖ２０を発生する。なお、以下の説明では、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２に関し、それぞれオン／オフの状態について言及していない場合には「オフ」の状態にあることとする。また、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２での電圧降下、および第１〜１２のダイオードＤ１〜Ｄ１２での電圧降下は無視できる程度と仮定する。
【００７８】
ここにおいて、制御部６は、以下の２つの条件に従って、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を制御する。
【００７９】
１つ目の条件としては、第１変換回路１１の第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、第２変換回路１２の第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８とで一対一のペアを設定し、ペアごとにオン／オフが切り替わるようにする。ここでは、第１，８のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ８がペアとなり、第２，７のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ７がペアとなり、第３，６のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ６がペアとなり、第４，５のスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５がペアとなる。
【００８０】
２つ目の条件としては、第２のスイッチング素子Ｑ２と第３のスイッチング素子Ｑ３とが、同時にオンまたはオフにならないようにする。さらに、第１〜４のモードにおいては第１のスイッチング素子Ｑ１と第１１のスイッチング素子Ｑ１１とが、また、第５〜８のモードにおいては第４のスイッチング素子Ｑ４と第９のスイッチング素子Ｑ９とが、それぞれ同時にオンまたはオフにならないようにする。
【００８１】
まず、図２Ａに示す第１のモードでは、第１変換回路１１の第１，２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、第２変換回路１２の第７，８のスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８と、第２の双方向スイッチ１４の第１２のスイッチング素子Ｑ１２とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第２の双方向スイッチ１４は半オン状態にある。この状態では、図２Ａに示すように、第１入力点１０１は、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２を介して第１出力点１０３に電気的に接続される。また、第２入力点１０２は、第８のスイッチング素子Ｑ８、第７のスイッチング素子Ｑ７を介して第２出力点１０４に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第１，２，７，８のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ７，Ｑ８の計４つであって、第１２のスイッチング素子Ｑ１２には電流は流れない。
【００８２】
したがって、第１出力点１０３は第１入力点１０１と同電位（Ｅ〔Ｖ〕）になり、第２出力点１０４は第２入力点１０２と同電位（０〔Ｖ〕）になる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、Ｅ（＝Ｅ−０）〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位からインダクタＬ１の両端電圧を差し引いた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位にインダクタＬ２の両端電圧を加えた電位となる。
【００８３】
次に、図２Ｂに示す第２のモードでは、第１変換回路１１の第１，３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３と、第２変換回路１２の第６，８のスイッチング素子Ｑ６，Ｑ８と、第２の双方向スイッチ１４の第１２のスイッチング素子Ｑ１２とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第２の双方向スイッチ１４は半オン状態にある。この状態では、図２Ｂに示すように、第１入力点１０１は、第１のスイッチング素子Ｑ１、第１キャパシタＣ１、第３のスイッチング素子Ｑ３を介して第１出力点１０３に電気的に接続される。また、第２入力点１０２は、第８のスイッチング素子Ｑ８、第２キャパシタＣ２、第６のスイッチング素子Ｑ６を介して第２出力点１０４に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第１，３，６，８のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ８の計４つであって、第１２のスイッチング素子Ｑ１２には電流は流れない。
【００８４】
したがって、第１出力点１０３の電位は、第１入力点１０１の電位（Ｅ〔Ｖ〕）より第１キャパシタＣ１の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）分だけ低い電位、つまり３Ｅ／４（＝Ｅ−Ｅ／４）〔Ｖ〕となる。また、第２出力点１０４の電位は、第２入力点１０２の電位（０〔Ｖ〕）より第２キャパシタＣ２の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）分だけ高い電位、つまりＥ／４（＝０＋Ｅ／４）〔Ｖ〕となる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、Ｅ／２（＝３Ｅ／４−Ｅ／４）〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位からインダクタＬ１の両端電圧を差し引いた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位にインダクタＬ２の両端電圧を加えた電位となる。
【００８５】
次に、図３Ａに示す第３のモードでは、第１変換回路１１の第２のスイッチング素子Ｑ２と、第２変換回路１２の第７のスイッチング素子Ｑ７と、第２の双方向スイッチ１４の第１１，１２のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第２の双方向スイッチ１４は全オン状態にある。この状態では、第２出力点１０４は、第７のスイッチング素子Ｑ７、第２キャパシタＣ２、第１１のスイッチング素子Ｑ１１、第１２のスイッチング素子Ｑ１２、第１キャパシタＣ１、第２のスイッチング素子Ｑ２を介して第１出力点１０３に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第２，７，１１，１２のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ７，Ｑ１１，Ｑ１２の計４つである。
【００８６】
したがって、第１出力点１０３の電位は、第２出力点１０４の電位より、第１キャパシタＣ１の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）と第２キャパシタＣ２の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）との和の分だけ高い電位となる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、Ｅ／２（＝Ｅ／４＋Ｅ／４）〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位からインダクタＬ１の両端電圧を差し引いた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位にインダクタＬ２の両端電圧を加えた電位となる。また、この状態においては、第２の双方向スイッチ１４が全オン状態にあるため、変換回路１０は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に双方向の電流を流すことができる。
【００８７】
次に、図３Ｂに示す第４のモードでは、第１変換回路１１の第３のスイッチング素子Ｑ３と、第２変換回路１２の第６のスイッチング素子Ｑ６と、第２の双方向スイッチ１４の第１１，１２のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第２の双方向スイッチ１４は全オン状態にある。この状態では、第２出力点１０４は、第６のスイッチング素子Ｑ６、第１１のスイッチング素子Ｑ１１、第１２のスイッチング素子Ｑ１２、第３のスイッチング素子Ｑ３を介して第１出力点１０３に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第３，６，１１，１２のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ６，Ｑ１１，Ｑ１２の計４つである。
【００８８】
したがって、第１出力点１０３の電位は第２出力点１０４と同電位になる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、０〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位からインダクタＬ１の両端電圧を差し引いた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位にインダクタＬ２の両端電圧を加えた電位となる。また、この状態においては、第２の双方向スイッチ１４が全オン状態にあるため、変換回路１０は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に双方向の電流を流すことができる。
【００８９】
一方、第５〜８のモードにおいては、電力変換装置１は、上記第１〜４のモードを基準にして、第１変換回路１１と第２変換回路１２とで動作を入れ替え、且つ第１の双方向スイッチ１３と第２の双方向スイッチ１４とで動作を入れ替えたような動作を行う。つまり、第５〜８のモードと第１〜４のモードとでは、変換回路１０の動作は、第１変換回路１１および第１の双方向スイッチ１３と、第２変換回路１２および第２の双方向スイッチ１４とが入れ替わった対称な動作となる。
【００９０】
すなわち、図４Ａに示す第５のモードでは、変換回路１０の動作は、上記第４のモードと対称な動作となる。そのため、第５のモードでは、第１変換回路１１の第２のスイッチング素子Ｑ２と、第２変換回路１２の第７のスイッチング素子Ｑ７と、第１の双方向スイッチ１３の第９，１０のスイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第１の双方向スイッチ１３は全オン状態にある。この状態では、図４Ａに示すように、第１出力点１０３は、第２のスイッチング素子Ｑ２、第９のスイッチング素子Ｑ９、第１０のスイッチング素子Ｑ１０、第７のスイッチング素子Ｑ７を介して第２出力点１０４に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第２，７，９，１０のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１０の計４つである。
【００９１】
したがって、第１出力点１０３の電位は第２出力点１０４と同電位になる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、０〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位にインダクタＬ１の両端電圧を加えた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位からインダクタＬ２の両端電圧を差し引いた電位となる。また、この状態においては、第１の双方向スイッチ１３が全オン状態にあるため、変換回路１０は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に双方向の電流を流すことができる。
【００９２】
次に、図４Ｂに示す第６のモードでは、変換回路１０の動作は、上記第３のモードと対称な動作となる。そのため、第６のモードでは、第１変換回路１１の第３のスイッチング素子Ｑ３と、第２変換回路１２の第６のスイッチング素子Ｑ６と、第１の双方向スイッチ１３の第９，１０のスイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第１の双方向スイッチ１３は全オン状態にある。この状態では、第１出力点１０３は、第３のスイッチング素子Ｑ３、第１キャパシタＣ１、第９のスイッチング素子Ｑ９、第１０のスイッチング素子Ｑ１０、第２キャパシタＣ２、第６のスイッチング素子Ｑ６を介して第２出力点１０４に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第３，６，９，１０のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ６，Ｑ９，Ｑ１０の計４つである。
【００９３】
したがって、第１出力点１０３の電位は、第２出力点１０４の電位より、第１キャパシタＣ１の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）と第２キャパシタＣ２の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）との和の分だけ低い電位となる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、−Ｅ／２（＝−Ｅ／４−Ｅ／４）〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位にインダクタＬ１の両端電圧を加えた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位からインダクタＬ２の両端電圧を差し引いた電位となる。また、この状態においては、第１の双方向スイッチ１３が全オン状態にあるため、変換回路１０は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に双方向の電流を流すことができる。
【００９４】
次に、図５Ａに示す第７のモードでは、変換回路１０の動作は、上記第２のモードと対称な動作となる。そのため、第７のモードでは、第１変換回路１１の第２，４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４と、第２変換回路１２の第５，７のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ７と、第１の双方向スイッチ１３の第１０のスイッチング素子Ｑ１０とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第１の双方向スイッチ１３は半オン状態にある。この状態では、図５Ａに示すように、第１入力点１０１は、第５のスイッチング素子Ｑ５、第２キャパシタＣ２、第７のスイッチング素子Ｑ７を介して第２出力点１０４に電気的に接続される。また、第２入力点１０２は、第４のスイッチング素子Ｑ４、第１キャパシタＣ１、第２のスイッチング素子Ｑ２を介して第１出力点１０３に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第２，４，５，７のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ７の計４つであって、第１０のスイッチング素子Ｑ１０には電流は流れない。
【００９５】
したがって、第１出力点１０３の電位は、第２入力点１０２の電位（０〔Ｖ〕）より第１キャパシタＣ１の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）分だけ高い電位、つまりＥ／４（＝０＋Ｅ／４）〔Ｖ〕となる。また、第２出力点１０４の電位は、第１入力点１０１の電位（Ｅ〔Ｖ〕）より第２キャパシタＣ２の両端電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）分だけ低い電位、つまり３Ｅ／４（＝Ｅ−Ｅ／４）〔Ｖ〕となる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、−Ｅ／２（＝Ｅ／４−３Ｅ／４）〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位にインダクタＬ１の両端電圧を加えた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位からインダクタＬ２の両端電圧を差し引いた電位となる。
【００９６】
次に、図５Ｂに示す第８のモードでは、変換回路１０の動作は、上記第１のモードと対称な動作となる。そのため、第８のモードでは、第１変換回路１１の第３，４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と、第２変換回路１２の第５，６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６と、第１の双方向スイッチ１３の第１０のスイッチング素子Ｑ１０とがそれぞれオンの状態にある。つまり、第１の双方向スイッチ１３は半オン状態にある。この状態では、図５Ｂに示すように、第１入力点１０１は、第５のスイッチング素子Ｑ５、第６のスイッチング素子Ｑ６を介して第２出力点１０４に電気的に接続される。また、第２入力点１０２は、第４のスイッチング素子Ｑ４、第３のスイッチング素子Ｑ３を介して第１出力点１０３に電気的に接続される。このとき、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第３，４，５，６のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６の計４つであって、第１０のスイッチング素子Ｑ１０には電流は流れない。
【００９７】
したがって、第１出力点１０３は第２入力点１０２と同電位（０〔Ｖ〕）になり、第２出力点１０４は第１入力点１０１と同電位（Ｅ〔Ｖ〕）になる。そのため、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる電力変換装置１の出力電圧Ｖ２０は、−Ｅ（＝０−Ｅ）〔Ｖ〕になる。さらにこのとき、第３出力点１０５の電位は、第１出力点１０３の電位にインダクタＬ１の両端電圧を加えた電位となり、第４出力点１０６の電位は、第２出力点１０４の電位からインダクタＬ２の両端電圧を差し引いた電位となる。
【００９８】
要するに、電力変換装置１は、上記第１〜８のモードを切り替えることにより、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０の大きさを、複数段階に変化させる。
【００９９】
さらに詳しく説明すると、第１変換回路１１は、第１キャパシタＣ１をフライングキャパシタとして用い、第１〜４，９〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ９〜Ｑ１２のオン／オフを切り替えることにより、第１出力点１０３の電位を切り替える。なお、第１キャパシタＣ１は、原則、第２，７のモードで充電され、第３，６のモードで放電されるが、比較的高い周波数で第１〜８のモードを切り替えれば、基本動作時における第１キャパシタＣ１の両端電圧は略一定（Ｅ／４〔Ｖ〕）とみなすことができる。
【０１００】
また、第２変換回路１２は、第２キャパシタＣ２をフライングキャパシタとして用い、第５〜１２のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ１２のオン／オフを切り替えることにより、第２出力点１０４の電位を切り替える。なお、第２キャパシタＣ２は、原則、第２，７のモードで充電され、第３，６のモードで放電されるが、比較的高い周波数で第１〜８のモードを切り替えれば、基本動作時における第２キャパシタＣ２の両端電圧は略一定（Ｅ／４〔Ｖ〕）とみなすことができる。
【０１０１】
要するに、制御部６は、出力電圧Ｖ２０の大きさが同じであって且つキャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）を流れる電流の向きが逆になる一対のモードを切り替えることにより、キャパシタの充電と放電とを切り替えている。
【０１０２】
具体的には、制御部６は、出力電圧Ｖ２０をＥ／２〔Ｖ〕とする場合には、第２のモードと第３のモードとを一対のモードとして切り替えることにより、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）の充電と放電とを切り替える。また、制御部６は、出力電圧Ｖ２０を−Ｅ／２〔Ｖ〕とする場合には、第７のモードと第６のモードとを一対のモードとして切り替えることにより、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）の充電と放電とを切り替える。
【０１０３】
ここで、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２が充電されるのは、原則、第２，７のモードであるから、以下では第２のモードおよび第７のモードを「充電モード」とも呼ぶ。第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２が放電されるのは、原則、第３，６のモードであるから、以下では第３のモードおよび第６のモードを「放電モード」とも呼ぶ。さらに、第１〜８のモードのうち充電モードおよび放電モード以外のモード（第１，４，５，８のモード）は、キャパシタの充電にも放電にも寄与せずキャパシタの電圧を維持するモードであるから、以下では第１，４，５，８のモードを「維持モード」とも呼ぶ。また、以下では、制御部６は、充電モードと放電モードとのいずれか一方を選択する場合において、充電モードを選択するときには「充電指令」を出力することとし、放電モードを選択するときには「放電指令」を出力することとする。
【０１０４】
すなわち、制御部６は、出力電圧Ｖ２０をＥ／２〔Ｖ〕とする場合において、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）を充電するときには、充電指令を出力し、充電モードである第２のモードを選択する。制御部６は、出力電圧Ｖ２０をＥ／２〔Ｖ〕とする場合において、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）を放電するときには、放電指令を出力し、放電モードである第３のモードを選択する。
【０１０５】
同様に、制御部６は、出力電圧Ｖ２０を−Ｅ／２〔Ｖ〕とする場合において、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）を充電するときには、充電指令を出力し、充電モードである第７のモードを選択する。制御部６は、出力電圧Ｖ２０を−Ｅ／２〔Ｖ〕とする場合において、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）を放電するときには、放電指令を出力し、放電モードである第６のモードを選択する。
【０１０６】
このように、制御部６は、出力電圧Ｖ２０の大きさが同じであって且つキャパシタを流れる電流の向きが逆になる充電モードと放電モードとを、一対のモードとして切り替えることにより、キャパシタの充電と放電とを切り替える。ただし、充電モードでキャパシタが充電され、放電モードでキャパシタが放電されるのは、変換回路１０に後述する順方向電流が流れている状態に限られる。変換回路１０に後述する逆方向電流が流れている状態では、充電モードでキャパシタが放電され、放電モードでキャパシタが充電される。この点については後述する。以下、とくに断りがない限り、変換回路１０を流れる電流は順方向電流であると仮定して説明する。
【０１０７】
以上説明したように、上記第１〜８のモードにおいては、電力変換装置１は、第１出力点１０３を高電位側、第２出力点１０４を低電位側とする電圧を出力電圧Ｖ２０として出力することになる。そして、電力変換装置１は、第１〜４のモードにおいて、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０を、Ｅ〔Ｖ〕（第１のモード）、Ｅ／２〔Ｖ〕（第２，３のモード）、０〔Ｖ〕（第４のモード）の３段階で切り替えることになる。第５〜８のモードにおいては、電力変換装置１は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０を、０〔Ｖ〕（第５のモード）、−Ｅ／２〔Ｖ〕（第６，７のモード）、−Ｅ〔Ｖ〕（第８のモード）の３段階で切り替えることになる。
【０１０８】
したがって、電力変換装置１は、上記第１〜８の計８つのモードを切り替えることにより、出力電圧Ｖ２０をＥ〔Ｖ〕、Ｅ／２〔Ｖ〕、０〔Ｖ〕、−Ｅ／２〔Ｖ〕、−Ｅ〔Ｖ〕の５段階で切り替えることができる。電力変換装置１は、これら５段階の出力電圧Ｖ２０を適宜切り替えることにより、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に交流電圧である第１出力電圧Ｖ１０を発生する。
【０１０９】
ここで、出力電圧Ｖ１０は、系統電源７の出力電圧に等しく、図６に示すように正弦波状の波形となる。図６では、横軸が時間軸、縦軸が電圧値を表している。ここで、出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間（つまり正弦波における正極性側の半波に相当する期間）Ｔ１〜Ｔ３においては、電力変換装置１は、第１〜４のモードを切り替えることで動作する。出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜−Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間（つまり正弦波における負極性側の半波に相当する期間）Ｔ４〜Ｔ６においては、電力変換装置１は、第５〜８のモードを切り替えることで動作する。
【０１１０】
以上説明した第１〜８のモードをまとめると、表１のようになる。
【０１１１】
【表１】
0006454939.tif 000002
【０１１２】
ここにおいて、制御部６は、ＰＷＭ信号により、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のオン／オフを切り替え、上記第１〜８のモードを実現する。
【０１１３】
さらに詳しく説明すると、図６において出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ１，Ｔ３には、制御部６は、表１に示すように第２〜４のモードを切り替える動作を繰り返す。ここで、制御部６は、第２のモードと第３のモードとで時間長さを調整することで、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の放電、充電のバランスをとる。
【０１１４】
さらに、図６において出力電圧Ｖ１０がＥ／２〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ２には、制御部６は、表１に示すように第１〜３のモードを切り替える動作を繰り返す。ここで、制御部６は、第２のモードと第３のモードとで時間長さを調整することで、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の放電、充電のバランスをとる。
【０１１５】
また、図６において出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜−Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ４，Ｔ６には、制御部６は、表１に示すように第５〜７のモードを切り替える動作を繰り返す。ここで、制御部６は、第６のモードと第７のモードとで時間長さを調整することで、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の放電、充電のバランスをとる。
【０１１６】
さらに、図６において出力電圧Ｖ１０が−Ｅ／２〔Ｖ〕〜−Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ５には、制御部６は、表１に示すように第６〜８のモードを切り替える動作を繰り返す。ここで、制御部６は、第６のモードと第７のモードとで時間長さを調整することで、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の放電、充電のバランスをとる。
【０１１７】
本実施形態において、制御部６は、ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させながら上述した第１〜８のモードの切り替えを行うことで、出力電圧Ｖ１０の波形が正弦波に近似するように、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０を制御する。要するに、電力変換装置１は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０の大きさを制御部６にて５段階で変化させることにより、正弦波状の交流電圧（出力電圧Ｖ１０）を第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に発生する。
【０１１８】
なお、第４のモードと第５のモードとは、いずれも出力電圧Ｖ２０が０〔Ｖ〕であって、且つ第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の放電および充電には寄与しないモードである。そのため、第４のモードと第５のモードとのいずれか一方を省略することも考えられるが、出力電圧Ｖ１０の正・負のバランスを考慮すれば、電力変換装置１は、第４のモードと第５のモードとを分けた方が、スイッチングロスを小さくできて効率がよくなる。
【０１１９】
本実施形態の電力変換装置１によれば、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子の数（以下、「通過素子数」という）は、上述したように第１〜８のいずれのモードにおいても「４」以下である。
【０１２０】
とくに、第２の双方向スイッチ１４が全オン状態となる第３，４のモードにおいては、第１１のスイッチング素子Ｑ１１と第１２のスイッチング素子Ｑ１２とを別素子として数えても通過素子数は「４」である。同様に、第１の双方向スイッチ１３が全オン状態となる第５，６のモードにおいては、第９のスイッチング素子Ｑ９と第１０のスイッチング素子Ｑ１０とを別素子として数えても通過素子数は「４」である。したがって、第１，２の双方向スイッチ１３，１４がそれぞれ１素子で構成されている場合には、第３〜６のモードにおける通過素子数は「３」になる。
【０１２１】
ところで、制御部６は、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２がそれぞれ基準電圧を中心に充電と放電とを繰り返すように、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが好ましい。ここでいう基準電圧は、上述のように直流電源１００から第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に印加される電圧の１／４の大きさの電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）である。これにより、基本動作時における第１キャパシタＣ１の両端電圧および第２キャパシタＣ２の両端電圧は、それぞれ目標電圧である基準電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）に維持される。
【０１２２】
さらにこの場合、制御部６は、第１検出部２１の検出結果と第２検出部２２の検出結果との平均値（検出回路の検出結果）が基準電圧となるように、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが好ましい。
【０１２３】
ところで、本実施形態の電力変換装置１は、上述のように第３，４のモードにおいて第２の双方向スイッチ１４が全オン状態であり、第５，６のモードにおいて第１の双方向スイッチ１３が全オン状態である。つまり、第１〜８のいずれのモードにおいても、半導体素子（スイッチング素子、ダイオード）のうち電流が流れる素子は第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のいずれかであって、ダイオード（第１〜１２のダイオードＤ１〜Ｄ１２）に電流は流れない。そのため、電力変換装置１は、第１〜８のいずれのモードにおいても、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に双方向の電流を流すことができる。
【０１２４】
以下では、図２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂに太線矢印で示す向きに変換回路１０を流れる電流を「順方向電流」と呼び、順方向電流とは逆向きに変換回路１０を流れる電流を「逆方向電流」と呼ぶ。すなわち、出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する第１〜４のモードにおいては、第１出力点１０３から第３出力点１０５へ向かう電流が順方向電流となる。出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜−Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する第５〜８のモードにおいては、第２出力点１０４から第４出力点１０６へ向かう電流が順方向電流となる。
【０１２５】
電力変換装置１は、このように変換回路１０が双方向の電流に対応していることにより、第３出力点１０５および第４出力点１０６間に流す出力電流と、第３出力点１０５および第４出力点１０６間に生じる出力電圧Ｖ１０との間に位相差を設定できる。要するに、出力電流と出力電圧Ｖ１０との間に位相差があると、出力電流が出力電圧Ｖ１０と異符号（たとえば出力電圧Ｖ１０が正で出力電流が負など）になる期間が生じる。
【０１２６】
ここで、出力電流と出力電圧Ｖ１０とが同符号の期間には、変換回路１０を流れる電流は順方向電流であるが、出力電流と出力電圧Ｖ１０とが異符号の期間には、変換回路１０を流れる電流は逆方向電流となる。そのため、電力変換装置１は、出力電流と出力電圧Ｖ１０との間に位相差を設定する場合、変換回路１０が双方向の電流に対応している必要がある。本実施形態の電力変換装置１は、変換回路１０が双方向の電流に対応しているため、出力電流と出力電圧Ｖ１０との間に位相差を設定することが可能である。
【０１２７】
とくに、太陽光発電装置用のパワーコンディショナ２０（図７参照）に電力変換装置１が用いられる場合には、単独運転の検出や、系統電源７の電圧上昇を抑制する目的で、電力変換装置１は、出力電流と出力電圧Ｖ１０との間に位相差を設定する場合がある。また、蓄電装置用のパワーコンディショナに電力変換装置１が用いられる場合には、出力電流と出力電圧Ｖ１０との間に位相差を設定することで、電力変換装置１は、電力が供給される向きを制御し、蓄電装置の充電と放電とを切り替える。本実施形態の電力変換装置１は、変換回路１０を双方向の電流が通過可能な状態を作り出すことで、このような用途に対応できる。
【０１２８】
＜パワーコンディショナの構成＞
本実施形態に係るパワーコンディショナ２０は、図７に示すように、上記の電力変換装置１と、解列器９とを備えている。解列器９は、第１出力点１０３（図１参照）および第２出力点１０４（図１参照）と、系統電源７との間に電気的に接続されている。図７の例では、解列器９は、第３出力点１０５および第４出力点１０６と、系統電源７との間に電気的に接続されている。言い換えれば、解列器９は、フィルタ回路５（図１参照）を介して第１出力点１０３および第２出力点１０４に接続されている。つまり、解列器９は、第１出力点１０３および第２出力点１０４と、系統電源７との間にあればよく、第１出力点１０３および第２出力点１０４に直接接続されていることは必須でなく、本実施形態のようにフィルタ回路５の後段に接続されていてもよい。
【０１２９】
ここで、解列器９は、第３出力点１０５と系統電源７との間に電気的に接続された第１接点部９１と、第４出力点１０６と系統電源７との間に電気的に接続された第２接点部９２とを有している。ただし、解列器９は、第３出力点１０５および第４出力点１０６の少なくとも一方と系統電源７との間に電気的に接続されていればよく、第１接点部９１および第２接点部９２のいずれかは省略されていてもよい。
【０１３０】
このパワーコンディショナ２０は、定常時、系統連系運転を行い、直流電源１００から入力される直流電力を電力変換装置１で交流電力に変換し、系統電源７および負荷８へ出力する。詳しい説明は省略するが、パワーコンディショナ２０は、系統電源７の停電等の異常時には、解列器９を開放し、系統電源７から解列された状態で交流電力を出力する自立運転を行うように構成されている。
【０１３１】
このパワーコンディショナ２０によれば、解列器９を開放（解列）することにより、第１変換回路１１および第２変換回路１２と系統電源７との間を電気的に切り離すことができる。そのため、パワーコンディショナ２０は、電源投入後、電力変換装置１が上述した基本動作を開始する前の始動期間に、解列器９を開放することで、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に、フィルタ回路５を含む電流経路を構成することができる。
【０１３２】
ここでいう電流経路は、フィルタ回路５を構成するインダクタＬ１、第３キャパシタＣ３、およびインダクタＬ２を含む電流経路である。電力変換装置１は、この電流経路を充電用の経路として用いることにより、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間が電気的に絶縁されていても第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２を充電できる。
【０１３３】
したがって、電力変換装置１は、第３出力点１０５および第４出力点１０６が系統電源７に接続されていなくても、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２を充電することが可能である。言い換えれば、電力変換装置１は、一対の出力端子（第３出力点１０５、第４出力点１０６）間に何の負荷も接続されていない状態（無負荷状態）であっても、定常動作に必要なキャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）を充電できる。なお、ここでいう定常動作とは、始動期間の経過後、つまり第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２が基準電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）に充電された後の電力変換装置１の動作であって、上述した基本動作と同義である。
【０１３４】
すなわち、制御部６は、直流電源１００より変換回路１０への電力の供給が開始してからキャパシタが所定電圧（基準電圧）に充電されるまでの始動期間には、充電モードを常に選択することが好ましい。なお、ここでいう充電モードは、基本動作における充電モード（第２，７のモード）とは異なり、解列器９を開放することで、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に、フィルタ回路５を含む電流経路が構成されたモードである。そして、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２が基準電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）に充電されると、電力変換装置１は、上述した基本動作に移行して、充電モード（第２，７のモード）と放電モード（第３，６のモード）とを切り替えるように動作する。
【０１３５】
この構成によれば、電力変換装置１は、始動期間には充電モードと放電モードとの切り替えを行わず、常に充電モードを選択してキャパシタを充電するので、始動期間を短縮して早期に基本動作に移行することができる。
【０１３６】
＜キャパシタの充電および放電＞
以下では、本実施形態の電力変換装置１が、基本動作においてキャパシタの充電と放電とを、どのように切り替えているかについて詳しく説明する。つまり、制御部６は、以下に説明する通りに維持モードと、充電モードまたは放電モードとが切り替わるように、ＰＷＭ信号を生成する。たとえば、出力電圧Ｖ１０が０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ１，Ｔ３（図６参照）には、制御部６は、維持モードである第４のモードと、充電モードである第２のモードまたは放電モードである第３のモードとを切り替える。
【０１３７】
本実施形態においては、制御部６は、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとの両方が含まれるように、基準波の１周期内で充電モードと放電モードとを切り替えるように構成されている。本実施形態の電力変換装置１は、位相差の無い１ないし複数のキャリア波を基準波として用い、この基準波と信号波との大きさの比較結果に応じて、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替える。ここでいう信号波は、出力電圧Ｖ１０の目標値、つまり系統電源７と同じ正弦波に基づく信号波である。
【０１３８】
さらに、本実施形態の電力変換装置１は、キャリア波の上昇と下降との判定結果に応じて、充電モードと放電モードとを切り替える。つまり、制御部６は、維持モードと、充電モードまたは放電モードとの切り替えは、基準波と信号波との比較結果に応じて行い、充電モードと放電モードとの切り替えは、キャリア波の上昇と下降との判定結果に応じて行う。これにより、電力変換装置１は、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとの両方が含まれることになる。
【０１３９】
まず、参考例として、位相差の無い４つのキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４を用いる場合について、図８を参照して簡単に説明する。図８は、横軸を時間軸、縦軸を電圧として、信号波ＯＳ１（太線で示す）と、キャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４との関係を示している。なお、図８では、信号波ＯＳ１とキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４との関係を模式的に表しているため、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４の各々が２０周期しか含まれていないが、この構成に限る趣旨ではない。実際には、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４の各々が数十〜数百周期程度、含まれていてもよい。
【０１４０】
この参考例では、第１のキャリア波ＣＷ１は０〔Ｖ〕を最小値、Ｅ／２〔Ｖ〕を最大値として、０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。第２のキャリア波ＣＷ２はＥ／２〔Ｖ〕を最小値、Ｅ〔Ｖ〕を最大値として、Ｅ／２〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。第３のキャリア波ＣＷ３は０〔Ｖ〕を最大値、−Ｅ／２〔Ｖ〕を最小値として、０〔Ｖ〕〜−Ｅ／２〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。第４のキャリア波ＣＷ４は−Ｅ／２〔Ｖ〕を最大値、−Ｅ〔Ｖ〕を最小値として、−Ｅ／２〔Ｖ〕〜−Ｅ〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。また、これら第１〜４のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４は、それぞれ単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで等しい三角波である。
【０１４１】
参考例において、信号波は、図６に示した出力電圧Ｖ１０の波形に等しく、−Ｅ〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲内で変動する正弦波状の波形である。
【０１４２】
参考例のように第１〜４のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４を用いれば、制御部６は、期間Ｔ１〜Ｔ６のそれぞれにおいて、基準波と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることができる。つまり、たとえば信号波ＯＳ１が０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ１，Ｔ３においては、制御部６は、信号波ＯＳ１と、基準波（第１〜４のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４）のうち第１のキャリア波ＣＷ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成する。また、たとえば信号波ＯＳ１がＥ／２〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ２においては、制御部６は、信号波ＯＳ１と、基準波（第１〜４のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４）のうち第２のキャリア波ＣＷ２との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成する。ただし、参考例のように４つのキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ４を用いると、生成部３の構成および制御部６の処理が複雑になる。
【０１４３】
そこで、図９に示すように１つの連続したキャリア波ＣＷ１のみを基準波として用い、生成部３の構成および制御部６の処理を簡略化することが考えられる。図９は、横軸を時間軸、縦軸を電圧として、信号波ＯＳ１（太線で示す）と、キャリア波ＣＷ１との関係を示している。なお、図９では、図８と同様に、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１が２０周期しか含まれていないが、この構成に限る趣旨ではない。実際には、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１が数十〜数百周期程度、含まれていてもよい。
【０１４４】
図９の例では、キャリア波ＣＷ１は０〔Ｖ〕を最小値、Ｅ／２〔Ｖ〕を最大値として、０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。また、キャリア波ＣＷ１は、単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで等しい三角波である。ただし、図９に示すキャリア波ＣＷ１は一例に過ぎず、キャリア波ＣＷ１は、単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで異なっていてもよい。
【０１４５】
図９の例では、信号波ＯＳ１は、系統電源７と同じ正弦波（図中に破線で示す）に基づきながらも、当該正弦波そのものではなく、期間Ｔ１〜Ｔ６に応じて当該正弦波を適宜シフトさせた形状の波形である。つまり、図９の信号波ＯＳ１は、キャリア波ＣＷ１の最小値である０〔Ｖ〕と最大値であるＥ／２〔Ｖ〕との間に収まるように、元の正弦波がＥ／２〔Ｖ〕を超える期間Ｔ２には、元の正弦波をＥ／２〔Ｖ〕だけ負（マイナス）の向きにシフトした波形となる。また、この信号波ＯＳ１は、元の正弦波が０〔Ｖ〕〜−Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ４，Ｔ６には、元の正弦波をＥ／２〔Ｖ〕だけ正（プラス）の向きにシフトした波形となる。さらに、この信号波ＯＳ１は、元の正弦波が−Ｅ２〔Ｖ〕〜−Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ５には、元の正弦波をＥ〔Ｖ〕だけ正（プラス）の向きにシフトした波形となる。
【０１４６】
図９に示すような信号波ＯＳ１を用いれば、１つのキャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが可能である。
【０１４７】
以下では、キャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果を比較信号Ｓｊ１とし、キャリア波ＣＷ１の上昇（傾きが正）と下降（傾きが負）との判定結果を判定信号Ｓｊ０として説明する。比較信号Ｓｊ１は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える（ＯＳ１＞ＣＷ１）期間に「Ｈ」になる信号である。判定信号Ｓｊ０は、キャリア波ＣＷ１が上昇する期間に「Ｈ」になる信号である。
【０１４８】
図９に示す信号波ＯＳ１を用いる場合においては、制御部６は、表２に示す判定条件に従って、比較信号Ｓｊ１および判定信号Ｓｊ０に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとのいずれかのモードを選択する。
【０１４９】
【表２】
0006454939.tif 000003
【０１５０】
ただし、図９に示すような信号波ＯＳ１を用いた場合、表２に示すように、期間Ｔ１〜Ｔ６によって、維持モードと充電モードと放電モードとの中から適用するモードを選択するための判定条件が異なることがある。たとえば充電モードが選択される条件は、期間Ｔ１では比較信号Ｓｊ１が「Ｈ」で判定信号Ｓｊ０が「Ｈ」であるのに対し、期間Ｔ２では比較信号Ｓｊ１が「Ｌ」で判定信号Ｓｊ０が「Ｈ」であり、期間Ｔ１と期間Ｔ２とでは判定条件は異なることになる。
【０１５１】
そこで、本実施形態では、図１０に示すように、信号波ＯＳ１の形状を工夫することにより、期間Ｔ１〜Ｔ６によらずに維持モードと充電モードと放電モードとを選択するための判定条件を一律としている。図１０の例におけるキャリア波ＣＷ１は、図９の例におけるキャリア波ＣＷ１と同一の波形である。
【０１５２】
一方、図１０の例における信号波ＯＳ１は、系統電源７と同じ正弦波（図中に破線で示す）に基づきながらも、期間Ｔ１〜Ｔ６に応じて当該正弦波を適宜シフト並びに反転させた形状の波形である。つまり、図１０の信号波ＯＳ１は、キャリア波ＣＷ１の最小値である０〔Ｖ〕と最大値であるＥ／２〔Ｖ〕との間に収まるように、元の正弦波がＥ／２〔Ｖ〕を超える期間Ｔ２には、元の正弦波をＥ／２〔Ｖ〕を中心に反転した波形となる。言い換えれば、期間Ｔ２における信号波ＯＳ１は、０〔Ｖ〕を中心にして元の正弦波の正・負を反転し、且つＥ〔Ｖ〕だけ正（プラス）の向きにシフトした波形となる。また、この信号波ＯＳ１は、元の正弦波が０〔Ｖ〕〜−Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ４，Ｔ６には、０〔Ｖ〕を中心にして元の正弦波の正・負を反転した波形となる。さらに、この信号波ＯＳ１は、元の正弦波が−Ｅ２〔Ｖ〕〜−Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ５には、０〔Ｖ〕を中心にして元の正弦波の正・負を反転し、且つＥ／２〔Ｖ〕を中心に反転した波形となる。言い換えれば、期間Ｔ５における信号波ＯＳ１は、元の正弦波をＥ〔Ｖ〕だけ正（プラス）の向きにシフトした波形となる。
【０１５３】
本実施形態の電力変換装置１は、図１０に示すような１つのキャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替える。さらに、本実施形態の電力変換装置１は、キャリア波ＣＷ１の上昇と下降との判定結果に応じて、充電モードと放電モードとを切り替える。
【０１５４】
図１０に示す信号波ＯＳ１を用いることで、本実施形態の制御部６は、表３に示す判定条件に従って、期間Ｔ１〜Ｔ６に関係なく、比較信号Ｓｊ１および判定信号Ｓｊ０に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとのいずれかのモードを選択する。
【０１５５】
【表３】
0006454939.tif 000004
【０１５６】
表３に示す判定条件に従った制御部６の動作について、図１１を参照してさらに詳しく説明する。以下では、制御部６は、変換回路１０が充電モードで動作する期間に「Ｈ」となる充電信号Ｓｃ１、および変換回路１０が放電モードで動作する期間に「Ｈ」となる放電信号Ｓｄ１を出力すると仮定する。
【０１５７】
図１１は、一例として期間Ｔ１における制御部６の動作を表している。すなわち、期間Ｔ１において、制御部６は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える期間（比較信号Ｓｊ１が「Ｈ」の期間）に、充電モードまたは放電モードを選択する。信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１以下（ＯＳ１≦ＣＷ１）の期間（比較信号Ｓｊ１が「Ｌ」の期間）には、制御部６は、維持モードを選択する。そして、制御部６は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える期間のうち、キャリア波ＣＷ１が上昇する期間（判定信号Ｓｊ０が「Ｈ」の期間）には、充電モードを選択し充電信号Ｓｃ１を「Ｈ」にする。制御部６は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える期間のうち、キャリア波ＣＷ１が下降する期間（判定信号Ｓｊ０が「Ｌ」の期間）には、放電モードを選択し放電信号Ｓｄ１を「Ｈ」にする。
【０１５８】
これにより、電力変換装置１は、図１１に示すようにキャリア波ＣＷ１の１周期（第１〜３の周期Ｐ１〜Ｐ３の各々）において、充電モードと放電モードとの両方が含まれることになる。ここで、期間Ｔ１における充電モードは第２のモード、放電モードは第３のモード、維持モードは第４のモードである。したがって、期間Ｔ１では、第１〜３の周期Ｐ１〜Ｐ３の各々において、制御部６は、第２〜４のモードを、第２のモード、第４のモード、第３のモードの順に切り替えることになる。
【０１５９】
その結果、期間Ｔ１の第１〜３の周期Ｐ１〜Ｐ３の各々で、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に発生する出力電圧Ｖ２０は、図１１のようにＥ／２〔Ｖ〕（第２のモード）、０〔Ｖ〕（第４のモード）、Ｅ／２〔Ｖ〕（第３のモード）の順に切り替わる。ここで、期間Ｔ１において、第２，３のモードと、第４のモードとは、ＰＷＭ信号により切り替えられるので、信号波ＯＳ１が上昇するにつれて、第４のモードのデューティ比は低くなり、第２，３のモードのデューティ比は高くなる。言い換えれば、出力電圧Ｖ２０における０〔Ｖ〕のデューティ比は低くなり、Ｅ／２〔Ｖ〕のデューティ比は高くなる。ここで、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に生じる出力電圧Ｖ１０は、出力電圧Ｖ２０の平均値に相当するため、信号波ＯＳ１が上昇するにつれて、図１１に示すように出力電圧Ｖ１０は上昇することになる。
【０１６０】
残りの期間Ｔ２〜Ｔ６についても同様に、本実施形態の電力変換装置１は、表３の判定条件に従い、キャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果、およびキャリア波ＣＷ１の上昇と下降との判定結果に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとを切り替える。
【０１６１】
ここで、制御部６は、検出回路（第１検出部２１および第２検出部２２）で検出されるキャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）の電圧に応じて、基準波の１周期に占める充電モードと放電モードとのそれぞれの割合を調節することが好ましい。この場合に、制御部６は、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の下限値よりも小さければ充電モードの割合を大きくし、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の上限値よりも大きければ放電モードの割合を大きくすることが好ましい。
【０１６２】
すなわち、本実施形態の電力変換装置１は、上述したように第１検出部２１および第２検出部２２からなる検出回路で第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１および第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２を検出している。そこで、この検出回路の検出結果（両電圧Ｖ１，Ｖ２の平均値）を用いれば、制御部６は、基準波の１周期に占める充電モードと放電モードとのそれぞれの割合を調節することが可能となる。このとき、制御部６は、検出回路の検出結果を、目標範囲の下限値および上限値と比較することにより、キャパシタの電圧を目標範囲に収めることが可能である。ここでいう目標範囲は、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１および第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２の目標となる電圧範囲であって、たとえば基準電圧を中心とする一定の範囲（Ｅ／４±α〔Ｖ〕）である。なお、目標範囲の幅は任意に設定され、ゼロ（下限値＝上限値）であってもよい。
【０１６３】
具体的には、本実施形態においては、キャリア波が上昇する期間（判定信号Ｓｊ０が「Ｈ」の期間）は充電モードに割り当てられ、キャリア波が下降する期間（判定信号Ｓｊ０が「Ｌ」の期間）は充電モードに割り当てられている。そこで、制御部６は、キャリア波である三角波の傾き（単位時間当たりの電圧変化率）を上昇時と下降時とで個別に調節することにより、基準波の１周期に占める充電モードと放電モードとのそれぞれの割合を調節する。
【０１６４】
たとえば、図１２に示すようにキャリア波ＣＷ１の上昇時の傾きを下降時の傾きに比べて小さくすると、基準波（キャリア波ＣＷ１）の１周期に占めるキャリア波ＣＷ１が上昇する期間の割合が、キャリア波ＣＷ２が下降する期間に比べて大きくなる。その結果、制御部６は、基準波の１周期に占める充電モードの割合を放電モードよりも大きくすることができる。なお、図１２は、図１１と同様に期間Ｔ１における制御部６の動作を表しているが、残りの期間Ｔ２〜Ｔ６においても制御部６の動作は同様である。
【０１６５】
＜効果＞
以上説明した本実施形態の電力変換装置１は、信号波と基準波との比較結果に応じて、キャパシタの充電および放電を行わない維持モードと、キャパシタの充電を行う充電モードまたはキャパシタの放電を行う放電モードとを切り替えている。ここでいうキャパシタは、（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）である。すなわち、電力変換装置１は、基準波を構成する少なくとも１つのキャリア波の周期に応じて、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることができる。したがって、電力変換装置１は、キャリア波の周波数を高く（つまり周期を短く）することで、細目にキャパシタの充電と放電とを切り替えることができ、キャパシタの電圧変動を極力小さく抑えることができる。その結果、比較的小容量のキャパシタを用いながらも、電力変換装置１は、キャパシタの電圧変動を抑制し、所望の出力電圧Ｖ２０を得ることが可能であるから、キャパシタの小型化を図ることができる、という利点がある。
【０１６６】
また、電力変換装置１は、本実施形態のように、変換回路１０が、第１変換回路１１および第２変換回路１２と、第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４とを備えていることが好ましい。この電力変換装置１は、直流電源１００の両端間に並列接続された第１変換回路１１および第２変換回路１２を有し、第１変換回路１１と第２変換回路１２との間を第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４で接続している。ここで、第１変換回路１１は、４つのスイッチング素子（第１〜４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４）および１つのキャパシタ（第１キャパシタＣ１）を有している。同様に、第２変換回路１２は、４つのスイッチング素子（第５〜８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８）および１つのキャパシタ（第２キャパシタＣ２）を有している。
【０１６７】
この構成において、直流電源１００から電力変換装置１に入力される電流は、１０個のスイッチング素子（第１〜８のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８および第１，２の双方向スイッチ１３，１４）のうち多くても４個の素子を通過するだけである。したがって、この電力変換装置１では、スイッチング素子の導通損失（ロス）の和が比較的小さく、電力変換効率のさらなる向上を図ることができる、という利点がある。
【０１６８】
さらに、電力変換装置１は、一般的に、導通損失が大きくなるほど発熱量が増えるため大型の放熱装置（ヒートシンクやファン等の空冷装置）が必要になる。本実施形態の電力変換装置１は、導通損失を小さく抑えることで放熱装置の小型化も期待できる。
【０１６９】
また、特許文献１に記載の構成と比較すると、本実施形態の電力変換装置１は、分圧用のキャパシタが必要ない分だけ、装置全体の小型化を図ることができるという利点もある。すなわち、特許文献１に記載の電力変換装置は、２個の直流キャパシタの直列回路に直流電圧Ｅを印加することで、直流電圧ＥをＥ／２ずつに分圧しているので、２個の直流キャパシタは必須の構成である。これに対して、本実施形態の電力変換装置１は、分圧用のキャパシタが必要ないので、その分、装置全体の小型化を図ることが可能である。
【０１７０】
また、この場合、本実施形態のように、直流電源１００から第１入力点１０１と第２入力点１０２との間に印加される電圧の１／４の大きさの電圧を基準電圧とすることが好ましい。この場合、制御部６は、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２がそれぞれ上記基準電圧を中心に充電と放電とを繰り返すように、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが好ましい。
【０１７１】
この構成によれば、電力変換装置１は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０を、上述したように第１〜４のモードにおいてＥ〔Ｖ〕、Ｅ／２〔Ｖ〕、０〔Ｖ〕の３段階で切り替えることができる。第５〜８のモードにおいては、電力変換装置１は、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に生じる出力電圧Ｖ２０を、０〔Ｖ〕、−Ｅ／２〔Ｖ〕、−Ｅ〔Ｖ〕の３段階で切り替えることになる。その結果、電力変換装置１は、上記第１〜８のモードを切り替えることにより、出力電圧Ｖ２０をＥ〔Ｖ〕、Ｅ／２〔Ｖ〕、０〔Ｖ〕、−Ｅ／２〔Ｖ〕、−Ｅ〔Ｖ〕の５段階で切り替えることができる。
【０１７２】
要するに、本実施形態に係る電力変換装置１は、出力電圧Ｖ２０を５段階で切り替える５レベルインバータでありながらも、動作としては３レベルインバータと同様であるから、通過素子数を３レベルインバータと同等の「４」以下とすることができる。したがって、この電力変換装置１は、一般的な５レベルインバータの通過素子数「６」に比べて、通過素子数を少なく抑えることができ、その結果、電力変換効率のさらなる向上を図ることができる。ただし、この構成は必須の構成ではなく、適宜省略可能である。
【０１７３】
さらにこの場合、電力変換装置１は、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１を検出する第１検出部２１と、第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２を検出する第２検出部２２とをさらに備えることが好ましい。この場合に、制御部６は、第１検出部２１の検出結果と第２検出部２２の検出結果との平均値（検出回路の検出結果）が基準電圧となるように、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが好ましい。
【０１７４】
この構成によれば、電力変換装置は、経年劣化や部品ばらつきにより第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の容量が異なる場合でも両電圧Ｖ１，Ｖ２を基準電圧付近に維持できる。ただし、この構成は必須の構成ではなく、適宜省略可能である。
【０１７５】
また、制御部６は、本実施形態のように、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとの両方が含まれるように、基準波の１周期内で充電モードと放電モードとを切り替えるように構成されていることが好ましい。
【０１７６】
この構成によれば、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとの両方が含まれるため、比較的簡単な制御で、キャパシタ（第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２）の放電、充電のバランスをとり、キャパシタの電圧変動を極力小さく抑えることができる。
【０１７７】
また、制御部６は、本実施形態のように検出回路（第１検出部２１および第２検出部２２）で検出されるキャパシタの電圧に応じて、基準波の１周期に占める充電モードと放電モードとのそれぞれの割合を調節することが好ましい。
【０１７８】
この構成によれば、キャパシタの電圧が基準電圧からずれた場合でも、制御部６は、基準波の１周期に占める充電モードと放電モードとのそれぞれの割合を調節することで、このずれを補正することが可能になる。
【０１７９】
この場合、制御部６は、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の下限値よりも小さければ充電モードの割合を大きくし、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の上限値よりも大きければ放電モードの割合を大きくすることが好ましい。
【０１８０】
この構成によれば、キャパシタの電圧の目標範囲にある程度の幅を持たせることにより、電力変換装置１は、ノイズやキャパシタの充電、放電に伴う微小なキャパシタの電圧変動であれば、充電モードと放電モードとの切り替えの頻度を低く抑えることができる。そのため、電力変換装置１は、スイッチングロスを小さくできて効率がよくなる。
【０１８１】
ただし、基準波の１周期に占める充電モードと放電モードとのそれぞれの割合を調節する構成は、必須の構成ではなく、適宜省略されていてもよい。
【０１８２】
また、本実施形態のように、生成部３は、基準波として１つの連続したキャリア波ＣＷ１を生成し、制御部６は、キャリア波ＣＷ１の上昇と下降との判定結果に応じて、充電モードと放電モードとを切り替えることが好ましい。
【０１８３】
これにより、生成部３の構成および制御部６の処理を簡略化することができる。ただし、この構成は必須の構成ではなく、適宜省略可能である。
【０１８４】
また、本実施形態に係るパワーコンディショナ２０によれば、解列器９を開放（解列）することにより、第１変換回路１１および第２変換回路１２と系統電源７との間を電気的に切り離すことができる。したがって、パワーコンディショナ２０は、定常時、系統連系運転を行い、系統電源７の停電等の異常時には、解列器９を開放し、系統電源７から解列された状態で交流電力を出力する自立運転を行うことができる。
【０１８５】
また、本実施形態のように、第１の双方向スイッチ１３の動作状態は、第２接続点２０２から第１接続点２０１へ流れる電流を遮断し、且つ第１接続点２０１から第２接続点２０２へ流れる電流を通過させる半オン状態をさらに含んでいることが好ましい。この場合、第２の双方向スイッチ１４の動作状態は、第３接続点２０３から第４接続点２０４へ流れる電流を遮断し、且つ第４接続点２０４から第３接続点２０３へ流れる電流を通過させる半オン状態をさらに含んでいることが好ましい。
【０１８６】
この構成によれば、第７，８のモードのように、第１接続点２０１から第２接続点２０２へ流れる電流を遮断する必要がないモードにおいては、第１の双方向スイッチ１３は半オン状態でよい。したがって、制御部６は、第５〜７のモード、あるいは第６〜８のモードを切り替える動作を繰り返す期間（期間Ｔ４〜Ｔ６）においては、第１０のスイッチング素子Ｑ１０をオンし続けることができる。つまり、第５，６のモードでは第１の双方向スイッチ１３は全オン状態であるので、第７，８のモードに切り替わる度に第１０のスイッチング素子Ｑ１０がオフすると、第１０のスイッチング素子Ｑ１０でスイッチングロスが生じる可能性がある。本実施形態の電力変換装置１は、第５〜７のモード、あるいは第６〜８のモードが切り替わる際に、第１０のスイッチング素子Ｑ１０がオンし続けることで、第１の双方向スイッチ１３で生じるスイッチングロスを低減できる。
【０１８７】
同様に、第１，２のモードのように、第４接続点２０４から第３接続点２０３へ流れる電流を遮断する必要がないモードにおいては、第２の双方向スイッチ１４は半オン状態でよい。したがって、本実施形態の電力変換装置１は、第１〜３のモード、あるいは第２〜４のモードが切り替わる際に、第１２のスイッチング素子Ｑ１２がオンし続けることで、第２の双方向スイッチ１４で生じるスイッチングロスを低減できる。
【０１８８】
さらに、制御部６は、第１の双方向スイッチ１３に電流が流れている状態で第１の双方向スイッチ１３を半オン状態から全オン状態に移行するようにすれば、第１の双方向スイッチ１３で生じるスイッチングロスを一層低減できる。すなわち、たとえば第７のモードから第６のモードへの切り替え時、制御部６は、第９のダイオードＤ９がオンしている状態で第９のスイッチング素子Ｑ９をオンすることで、第９のスイッチング素子Ｑ９のゼロボルトスイッチングを実現できる。同様に、制御部６は、第２の双方向スイッチ１４に電流が流れている状態で第２の双方向スイッチ１４を半オン状態から全オン状態に移行するようにすれば、第２の双方向スイッチ１４で生じるスイッチングロスを一層低減できる。
【０１８９】
なお、電力変換装置１は、上述したように変換回路１０が第１変換回路１１および第２変換回路１２と、第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４とを備えた構成に限らず、適宜変更可能である。スイッチング素子の数についても、第１〜１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２の１２個に限らず、適宜変更可能である。
【０１９０】
また、第１〜８のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８、および第９〜１２のスイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２としては、デプレッション型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴに限らず、その他の半導体スイッチが用いられていてもよい。たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ＧａＮ（窒化ガリウム）などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いたパワー半導体デバイスが用いられる。
【０１９１】
また、双方向スイッチ（第１の双方向スイッチ１３および第２の双方向スイッチ１４のそれぞれ）の具体的な構成についても、上述した構成に限らない。双方向スイッチは、たとえばＧａＮ（窒化ガリウム）などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いたダブルゲート（デュアルゲート）構造の双方向スイッチであってもよい。
【０１９２】
（実施形態２）
本実施形態の電力変換装置１は、生成部３が基準波として位相差を有する複数のキャリア波を生成する点、および制御部６がこれら複数のキャリア波の各々と信号波との比較結果を用いる点で、実施形態１の電力変換装置１と相違する。本実施形態の電力変換装置１の回路構成は、実施形態１の電力変換装置１と共通であるので、以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
【０１９３】
すなわち、実施形態１では、電力変換装置１が、位相差の無い１ないし複数のキャリア波を基準波として用い、この基準波と信号波との大きさの比較結果に応じて、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替える場合について説明した。これに対して、本実施形態の電力変換装置１は、位相差のある複数のキャリア波を基準波として用い、この基準波と信号波との大きさの比較結果に応じて、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替える。
【０１９４】
まず、参考例として、位相差を有する８つのキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８を用いる場合について、図１３を参照して簡単に説明する。図１３は、横軸を時間軸、縦軸を電圧として、信号波ＯＳ１（太線で示す）と、キャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８との関係を示している。なお、図１３では、信号波ＯＳ１とキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８との関係を模式的に表しているため、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８の各々が５周期しか含まれていないが、この構成に限る趣旨ではない。実際には、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８の各々が数十〜数百周期程度、含まれていてもよい。
【０１９５】
この参考例では、第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８は、それぞれ−Ｅ〔Ｖ〕を最小値、Ｅ〔Ｖ〕を最大値として、−Ｅ〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。これら第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８のうち隣接する２つのキャリア波間の位相差は、各キャリア波の１／８周期である。ここでは、第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８は、第１のキャリア波ＣＷ１、第２のキャリア波ＣＷ２、第３のキャリア波ＣＷ３、第４のキャリア波ＣＷ４、第５のキャリア波ＣＷ５…の順で１／８周期ずつ遅れるように等間隔で並んでいる。また、これら第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８は、それぞれ単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで等しい三角波である。
【０１９６】
参考例において、信号波は、図６に示した出力電圧Ｖ１０の波形に等しく、−Ｅ〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲内で変動する正弦波状の波形である。
【０１９７】
参考例のように第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８を用いれば、制御部６は、期間Ｔ１〜Ｔ６のそれぞれにおいて、基準波と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることができる。つまり、たとえば信号波ＯＳ１が０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ１，Ｔ３において、制御部６は、信号波ＯＳ１と、第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８の各々との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成する。同様に、たとえば信号波ＯＳ１がＥ／２〔Ｖ〕〜Ｅ〔Ｖ〕の範囲で変動する期間Ｔ２においても、制御部６は、信号波ＯＳ１と、第１〜８のキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８の各々との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成する。ただし、参考例のように８つのキャリア波ＣＷ１〜ＣＷ８を用いると、生成部３の構成および制御部６の処理が複雑になる。
【０１９８】
そこで、図１４に示すように互いに逆位相となる２つのキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２のみを基準波として用い、生成部３の構成および制御部６の処理を簡略化することが考えられる。図１４は、横軸を時間軸、縦軸を電圧として、信号波ＯＳ１（太線で示す）と、第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２との関係を示している。なお、図１４では、図１３と同様に、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２の各々が２０周期しか含まれていないが、この構成に限る趣旨ではない。実際には、信号波ＯＳ１の１周期中にキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２が数十〜数百周期程度、含まれていてもよい。
【０１９９】
図１４の例では、第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２は、それぞれ０〔Ｖ〕を最小値、Ｅ／２〔Ｖ〕を最大値として、０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。第１のキャリア波ＣＷ１と第２のキャリア波ＣＷ２とが互いに逆位相となるように、２つのキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２間の位相差は、各キャリア波の１／２周期である。また、これら第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２は、それぞれ単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで等しい三角波である。
【０２００】
図１４の例では、実施形態１で説明した図９の例と同様に、信号波ＯＳ１は、系統電源７と同じ正弦波（図中に破線で示す）に基づきながらも、当該正弦波そのものではなく、期間Ｔ１〜Ｔ６に応じて当該正弦波を適宜シフトさせた形状の波形である。つまり、図１４の信号波ＯＳ１は、系統電源７と同じ正弦波を、第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２の最小値（０〔Ｖ〕）と最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）との間に収まるように、適宜シフトさせた形状の波形である。
【０２０１】
図１４に示すような信号波ＯＳ１を用いれば、第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが可能である。ただし、図１４に示すような信号波ＯＳ１を用いた場合、期間Ｔ１〜Ｔ６によって、維持モードと充電モードと放電モードとの中から適用するモードを選択するための判定条件が異なることがある。たとえば期間Ｔ１と期間Ｔ２とでは、判定条件は異なることになる。
【０２０２】
そこで、本実施形態では、図１５に示すように、信号波ＯＳ１の形状を工夫することにより、期間Ｔ１〜Ｔ６によらずに維持モードと充電モードと放電モードとを選択するための判定条件を一律としている。図１５の例における第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２は、図１４の例における第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２と同一の波形である。
【０２０３】
一方、図１５の例における信号波ＯＳ１は、実施形態１で説明した図１０の例と同様に、系統電源７と同じ正弦波（図中に破線で示す）に基づきながらも、期間Ｔ１〜Ｔ６に応じて当該正弦波を適宜シフト並びに反転させた形状の波形である。つまり、図１５の信号波ＯＳ１は、第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２の最小値である０〔Ｖ〕と最大値であるＥ／２〔Ｖ〕との間に収まるように、適宜シフト並びに反転させた形状の波形である。
【０２０４】
本実施形態の電力変換装置１は、図１５に示すような第１，２のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替える。この点について、図１６を参照してさらに詳しく説明する。
【０２０５】
以下では、第１のキャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果を第１の比較信号Ｓｊ１とし、第２のキャリア波ＣＷ２と信号波ＯＳ１との比較結果を第２の比較信号Ｓｊ２として説明する。また、第１のキャリア波ＣＷ１の上昇（傾きが正）と下降（傾きが負）との判定結果を判定信号Ｓｊ０として説明する。第１の比較信号Ｓｊ１は、信号波ＯＳ１が第１のキャリア波ＣＷ１を超える（ＯＳ１＞ＣＷ１）期間に「Ｈ」になる信号である。第２の比較信号Ｓｊ２は、信号波ＯＳ１が第２のキャリア波ＣＷ２を超える（ＯＳ１＞ＣＷ２）期間に「Ｈ」になる信号である。判定信号Ｓｊ０は、第１のキャリア波ＣＷ１が上昇する期間に「Ｈ」になる信号である。さらに、以下では、制御部６は、変換回路１０が充電モードで動作する期間に「Ｈ」となる充電信号Ｓｃ１、および変換回路１０が放電モードで動作する期間に「Ｈ」となる放電信号Ｓｄ１を出力すると仮定する。
【０２０６】
そして、制御部６は、表４に示す判定条件に従って、第１，２の比較信号Ｓｊ１，Ｓｊ２および判定信号Ｓｊ０に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとのいずれかのモードを選択する。なお、表中の「−」は、「Ｈ」、「Ｌ」いずれであってもよいことを表している。
【０２０７】
【表４】
0006454939.tif 000005
【０２０８】
図１６は、一例として期間Ｔ１における制御部６の動作を表している。すなわち、期間Ｔ１においては、制御部６は、信号波ＯＳ１が第１のキャリア波ＣＷ１を超え、且つ第１のキャリア波ＣＷ１が上昇する期間（第１の比較信号Ｓｊ１が「Ｈ」で判定信号Ｓｊ０が「Ｈ」の期間）に、充電モードを選択し充電信号Ｓｃ１を「Ｈ」にする。また、信号波ＯＳ１が第２のキャリア波ＣＷ２を超え、且つ第１のキャリア波ＣＷ１が下降する期間（第２の比較信号Ｓｊ２が「Ｈ」で判定信号Ｓｊ０が「Ｌ」の期間）には、制御部６は、放電モードを選択し放電信号Ｓｄ１を「Ｈ」にする。また、制御部６は、信号波ＯＳ１が第１のキャリア波ＣＷ１以下（ＯＳ１≦ＣＷ１）で、且つ第１のキャリア波ＣＷ１が上昇する期間（第１の比較信号Ｓｊ１が「Ｌ」で判定信号Ｓｊ０が「Ｈ」の期間）に、維持モードを選択する。さらに、信号波ＯＳ１が第２のキャリア波ＣＷ２以下（ＯＳ１≦ＣＷ２）で、且つ第１のキャリア波ＣＷ１が下降する期間（第２の比較信号Ｓｊ２が「Ｌ」で判定信号Ｓｊ０が「Ｌ」の期間）にも、制御部６は、維持モードを選択する。
【０２０９】
これにより、電力変換装置１は、図１６に示すように第１のキャリア波ＣＷ１の１周期（第１〜３の周期Ｐ１〜Ｐ３の各々）において、充電モードと放電モードとの両方が含まれることになる。ここで、期間Ｔ１における充電モードは第２のモード、放電モードは第３のモード、維持モードは第４のモードである。したがって、期間Ｔ１では、第１〜３の周期Ｐ１〜Ｐ３の各々において、制御部６は、第２〜４のモードを、第２のモード、第４のモード、第３のモード、第４のモードの順に切り替えることになる。
【０２１０】
その結果、期間Ｔ１の第１〜３の周期Ｐ１〜Ｐ３の各々で、出力電圧Ｖ２０は、図１６に示すようにＥ／２〔Ｖ〕（第２のモード）、０〔Ｖ〕（第４のモード）、Ｅ／２〔Ｖ〕（第３のモード）、０〔Ｖ〕（第４のモード）の順に切り替わる。ここで、期間Ｔ１において、第２，３のモードと、第４のモードとは、ＰＷＭ信号により切り替えられるので、信号波ＯＳ１が上昇するにつれて、第４のモードのデューティ比は低くなり、第２，３のモードのデューティ比は高くなる。言い換えれば、出力電圧Ｖ２０における０〔Ｖ〕のデューティ比は低くなり、Ｅ／２〔Ｖ〕のデューティ比は高くなる。ここで、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に生じる出力電圧Ｖ１０は、出力電圧Ｖ２０の平均値に相当するため、信号波ＯＳ１が上昇するにつれて、図１６に示すように出力電圧Ｖ１０は上昇することになる。
【０２１１】
残りの期間Ｔ２〜Ｔ６についても同様に、電力変換装置１は、表４の判定条件に従い、各キャリア波ＣＷ１，ＣＷ２と信号波ＯＳ１との比較結果、およびキャリア波ＣＷ１の上昇と下降との判定結果に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとを切り替える。
【０２１２】
以上説明した本実施形態の構成によれば、生成部３は、基準波として位相差を有する複数のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２を生成し、制御部６は、複数のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２の各々と信号波ＯＳ１との比較結果に応じて、充電モードと放電モードとを切り替える。このように、制御部６は、複数のキャリア波ＣＷ１，ＣＷ２と、信号波ＯＳ１との比較結果を用いることで、充電モードと放電モードとの間に維持モードを挟むことができる。そのため、電力変換装置１は、充電モードと放電モードとを等間隔で交互に繰り返すことができ、キャパシタの電圧変動をより一層小さく抑えることができる。
【０２１３】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【０２１４】
（実施形態３）
本実施形態の電力変換装置１は、制御部６が、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとの一方のみが含まれるように、基準波の１周期ごとに充電モードと放電モードとのいずれかを選択する点で、実施形態１の電力変換装置１と相違する。本実施形態の電力変換装置１の回路構成は、実施形態１の電力変換装置１と共通であるので、以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
【０２１５】
すなわち、実施形態１では、電力変換装置１が、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとの両方が含まれるように、基準波の１周期内で充電モードと放電モードとを切り替える場合について説明した。これに対して、本実施形態の電力変換装置１は、基準波の１周期内に充電モードと放電モードとのいずれか一方のみが含まれるように、基準波の１周期内では充電モードと放電モードとの切り替えを行わない。
【０２１６】
本実施形態では、制御部６は、検出回路の検出結果に応じて、基準波の１周期ごとに充電モードと放電モードとのいずれかを選択する。ここで、検出回路は第１検出部２１および第２検出部２２からなり、検出回路の検出結果は、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１と第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２との平均値である。具体的に説明すると、第１検出部２１の検出結果（第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１）および第２検出部２２の検出結果（第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２）はマイコン６２に出力されている。マイコン６２は、このようにして個別に取得した第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１と第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２との平均値Ｖｃを求める。なお、平均値Ｖｃは、Ｖｃ＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２で表される。
【０２１７】
ここにおいて、制御部６は、検出回路で検出されるキャパシタの電圧（平均値Ｖｃ）が目標範囲の下限値よりも小さければ充電モードを選択し、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の上限値よりも大きければ放電モードを選択してもよい。すなわち、本実施形態の電力変換装置１は、第１検出部２１および第２検出部２２からなる検出回路で第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１および第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２を検出している。制御部６は、検出回路の検出結果（平均値Ｖｃ）を、目標範囲の下限値および上限値と比較することにより、キャパシタの電圧を目標範囲に収めることが可能である。ここでいう目標範囲は、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１および第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２の目標となる電圧範囲であって、たとえば基準電圧を中心とする一定の範囲（Ｅ／４±α〔Ｖ〕）である。なお、目標範囲の幅は任意に設定され、ゼロ（下限値＝上限値）であってもよい。
【０２１８】
以上説明した本実施形態の制御部６は、たとえば図１７に示すフローチャートに従って動作する。ただし、ここでは目標範囲の幅はゼロに設定されており、目標範囲の下限値および上限値が基準電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）であると仮定する。
【０２１９】
制御部６はまず、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖ１と第２キャパシタＣ２の電圧Ｖ２との平均値Ｖｃと基準電圧（Ｅ／４〔Ｖ〕）とを比較する（Ｓ１）。このとき、平均値Ｖｃが基準電圧以上であれば（Ｓ１：Ｙｅｓ）、制御部６は、放電指令を出力する（Ｓ２）。一方、平均値Ｖｃが基準電圧未満であれば（Ｓ１：Ｎｏ）、制御部６は、充電指令を出力する（Ｓ３）。
【０２２０】
制御部６は、これらＳ１〜Ｓ３の処理を、キャリア波ＣＷ１と同一周期で繰り返し行うことにより、キャリア波ＣＷ１の１周期ごとに、充電指令と放電指令とのいずれか一方を出力する。
【０２２１】
本実施形態では、制御部６は、キャリア波ＣＷ１の上昇と下降との判定結果に代えて、充電指令および放電指令に応じて充電モードと放電モードとを切り替えるように構成されている。
【０２２２】
ここで、実施形態１で説明した図９に示すような信号波ＯＳ１を用いれば、１つのキャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果に応じてＰＷＭ信号を生成し、維持モードと、充電モードまたは放電モードとを切り替えることが可能である。ここで、キャリア波ＣＷ１は０〔Ｖ〕を最小値、Ｅ／２〔Ｖ〕を最大値として、０〔Ｖ〕〜Ｅ／２〔Ｖ〕の間で周期的に振動する三角波である。また、キャリア波ＣＷ１は、単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで等しい三角波である。ただし、本実施形態で用いるキャリア波ＣＷ１は、実施形態１と同様に、単位時間当たりの電圧変化率が上昇時と下降時とで異なっていてもよく、キャリア波ＣＷ１は、たとえばのこぎり波であってもよい。
【０２２３】
以下では、キャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果を比較信号Ｓｊ１として説明する。比較信号Ｓｊ１は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える（ＯＳ１＞ＣＷ１）期間に「Ｈ」になる信号である。さらに、制御部６は、充電指令を出力する期間に「Ｈ」となり、放電指令を出力する期間に「Ｌ」となる指令信号Ｓｃｄ１を出力すると仮定する。
【０２２４】
図９に示す信号波ＯＳ１を用いる場合においては、制御部６は、表５に示す判定条件に従って、比較信号Ｓｊ１および指令信号Ｓｃｄ１に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとのいずれかのモードを選択する。なお、この場合、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５においては、キャリア波ＣＷ１が最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）から最小値（０〔Ｖ〕）へ変化し再び最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）へ変化するまでの期間を、キャリア波ＣＷ１の１周期とする。一方、期間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６においては、キャリア波ＣＷ１が最小値（０〔Ｖ〕）から最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）へ変化し再び最小値（０〔Ｖ〕）へ変化するまでの期間を、キャリア波ＣＷ１の１周期とする。制御部６は、このように期間Ｔ１〜Ｔ６によって異なる１周期ごとに、充電指令と放電指令とのいずれか一方を出力する。
【０２２５】
【表５】
0006454939.tif 000006
【０２２６】
ただし、図９に示すような信号波ＯＳ１を用いた場合、表５に示すように、期間Ｔ１〜Ｔ６によって、維持モードと充電モードと放電モードとの中から適用するモードを選択するための判定条件が異なることがある。たとえば充電モードが選択される条件は、期間Ｔ１では比較信号Ｓｊ１が「Ｈ」で指令信号Ｓｃｄ１が「Ｈ」であるのに対し、期間Ｔ２では比較信号Ｓｊ１が「Ｌ」で指令信号Ｓｃｄ１が「Ｈ」であり、期間Ｔ１と期間Ｔ２とでは判定条件は異なることになる。
【０２２７】
そこで、本実施形態では、実施形態１（図１０参照）と同様に、信号波ＯＳ１は、系統電源７と同じ正弦波に基づきながらも、当該正弦波そのものではなく、期間Ｔ１〜Ｔ６に応じて当該正弦波を適宜シフト並びに反転させた形状の波形とする。本実施形態では、このように信号波ＯＳ１の形状を工夫することにより、期間Ｔ１〜Ｔ６によらずに維持モードと充電モードと放電モードとを選択するための判定条件を一律としている。
【０２２８】
図１０に示す信号波ＯＳ１を用いることで、本実施形態の制御部６は、表６に示す判定条件に従って、期間Ｔ１〜Ｔ６に関係なく、比較信号Ｓｊ１および指令信号Ｓｃｄ１に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとのいずれかのモードを選択する。なお、この場合、期間Ｔ１〜Ｔ６に関係なく、キャリア波ＣＷ１が最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）から最小値（０〔Ｖ〕）へ変化し再び最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）へ変化するまでの期間を、キャリア波ＣＷ１の１周期とする。制御部６は、このように期間Ｔ１〜Ｔ６によらずに一律に定まる１周期ごとに、充電指令と放電指令とのいずれか一方を出力する。
【０２２９】
【表６】
0006454939.tif 000007
【０２３０】
表６に示す判定条件に従った制御部６の動作について、図１８を参照してさらに詳しく説明する。以下では、制御部６は、変換回路１０が充電モードで動作する期間に「Ｈ」となる充電信号Ｓｃ１、および変換回路１０が放電モードで動作する期間に「Ｈ」となる放電信号Ｓｄ１を出力すると仮定する。なお、図１８の例では、キャリア波ＣＷ１が最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）から最小値（０〔Ｖ〕）へ変化し再び最大値（Ｅ／２〔Ｖ〕）へ変化するまでの期間を、キャリア波ＣＷ１の１周期（第１〜４の周期Ｐ１〜Ｐ４の各々）としている。
【０２３１】
図１８は、一例として期間Ｔ１における制御部６の動作を表している。すなわち、期間Ｔ１においては、制御部６は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える期間（比較信号Ｓｊ１が「Ｈ」の期間）に、充電モードまたは放電モードを選択する。信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１以下（ＯＳ１≦ＣＷ１）の期間（比較信号Ｓｊ１が「Ｌ」の期間）には、制御部６は、維持モードを選択する。そして、制御部６は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える期間のうち、充電指令が出力されている期間（指令信号Ｓｃｄ１が「Ｈ」の期間）には、充電モードを選択し充電信号Ｓｃ１を「Ｈ」にする。制御部６は、信号波ＯＳ１がキャリア波ＣＷ１を超える期間のうち、放電指令が出力されている期間（指令信号Ｓｃｄ１が「Ｌ」の期間）には、放電モードを選択し放電信号Ｓｄ１を「Ｈ」にする。
【０２３２】
これにより、電力変換装置１は、図１８に示すようにキャリア波ＣＷ１の１周期（第１〜４の周期Ｐ１〜Ｐ４の各々）において、充電モードと放電モードとのいずれか一方のみが含まれることになる。ここで、期間Ｔ１における充電モードは第２のモード、放電モードは第３のモード、維持モードは第４のモードである。したがって、充電指令が出力される第２，４の周期Ｐ２，Ｐ４の各々においては、制御部６は、第２〜４のモードを、第４のモード、第２のモード、第４のモードの順に切り替えることになる。また、制御部６は、放電指令が出力される第１，３の周期Ｐ１，Ｐ３の各々において、第２〜４のモードを、第４のモード、第３のモード、第４のモードの順に切り替えることになる。
【０２３３】
その結果、期間Ｔ１の第１〜４の周期Ｐ１〜Ｐ４の各々で、第１出力点１０３と第２出力点１０４との間に発生する出力電圧Ｖ２０は、図１８のように０〔Ｖ〕（第４のモード）、Ｅ／２〔Ｖ〕（第２，３のモード）、０〔Ｖ〕（第４のモード）の順に切り替わる。ここで、期間Ｔ１において、第２，３のモードと、第４のモードとは、ＰＷＭ信号により切り替えられるので、信号波ＯＳ１が上昇するにつれて、第４のモードのデューティ比は低くなり、第２，３のモードのデューティ比は高くなる。言い換えれば、出力電圧Ｖ２０における０〔Ｖ〕のデューティ比は低くなり、Ｅ／２〔Ｖ〕のデューティ比は高くなる。ここで、第３出力点１０５と第４出力点１０６との間に生じる出力電圧Ｖ１０は、出力電圧Ｖ２０の平均値に相当するため、信号波ＯＳ１が上昇するにつれて、図１８に示すように出力電圧Ｖ１０は上昇することになる。
【０２３４】
残りの期間Ｔ２〜Ｔ６についても同様に、本実施形態の電力変換装置１は、表６の判定条件に従い、キャリア波ＣＷ１と信号波ＯＳ１との比較結果、および充電指令または放電指令に応じて、維持モードと充電モードと放電モードとを切り替える。
【０２３５】
以上説明した本実施形態の構成によれば、制御部６は、基準波の１周期内に前記充電モードと放電モードとの一方のみが含まれるように、基準波の１周期ごとに充電モードと放電モードとのいずれかを選択する。その結果、基準波の１周期内で充電モードと放電モードとを切り替える構成に比べて、充電モードと放電モードとの切り替えの頻度を低く抑えることができ、電力変換装置１は、スイッチングロスを小さくできて効率がよくなる。
【０２３６】
なお、電力変換装置１は、図１０に示すような信号波ＯＳ１を用いることで、期間Ｔ１〜Ｔ６によらず、充電指令と放電指令とを切り替えるタイミングを一律でキャリア波ＣＷ１のピーク（Ｅ／２〔Ｖ〕）に揃えることができる。
【０２３７】
また、制御部６は、本実施形態のように検出回路（第１検出部２１および第２検出部２２）で検出されるキャパシタの電圧に応じて、基準波の１周期ごとに充電モードと放電モードとのいずれかを選択することが好ましい。
【０２３８】
この構成によれば、キャパシタの電圧が基準電圧からずれた場合でも、制御部６は、基準波の１周期ごとに充電モードと放電モードとのいずれかを選択することで、このずれを補正することが可能になる。
【０２３９】
この場合、制御部６は、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の下限値よりも小さければ充電モードを選択し、検出回路で検出されるキャパシタの電圧が目標範囲の上限値よりも大きければ放電モードを選択することが好ましい。
【０２４０】
この構成によれば、キャパシタの電圧の目標範囲にある程度の幅を持たせることにより、電力変換装置１は、ノイズやキャパシタの充電、放電に伴う微小なキャパシタの電圧変動であれば、充電モードと放電モードとの切り替えの頻度を低く抑えることができる。そのため、電力変換装置１は、スイッチングロスを小さくできて効率がよくなる。
【０２４１】
ただし、検出回路（第１検出部２１および第２検出部２２）で検出されるキャパシタの電圧に応じて、基準波の１周期ごとに充電モードと放電モードとのいずれかを選択する構成は、必須の構成ではなく、適宜省略されていてもよい。
【０２４２】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【符号の説明】
【０２４３】
１  電力変換装置
１１  第１変換回路
１２  第２変換回路
１３  第１の双方向スイッチ
１４  第２の双方向スイッチ
２１  第１検出部
２２  第２検出部
３  生成部
６  制御部
７  系統電源
９  解列器
２０  パワーコンディショナ
１００  直流電源
１０１  第１入力点
１０２  第２入力点
１０３  第１出力点
１０４  第２出力点
２０１  第１接続点
２０２  第２接続点
２０３  第３接続点
２０４  第４接続点
Ｃ１  第１キャパシタ
Ｃ２  第２キャパシタ
Ｑ１〜Ｑ８  第１〜８のスイッチング素子
Ｖ１  第１キャパシタの電圧
Ｖ２  第２キャパシタの電圧
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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