(57)【要約】  出力電圧指令に対応する交流電圧を出力する電力変換装置であって、この電力変換装置は、直流電源１、交流電源３０、インバータ４０、出力電圧を平滑するフィルタ５およびインバータを制御するためのインバータ制御部８０を備える。インバータ制御部８０は、出力電圧指令Ｖ＊に対して交流電源の電圧Ｖｒが小さく、かつその差が所定値よりも小さい第１条件のとき、第１周波数ｆ１のキャリア信号Ｓｃを指令する。また、インバータ制御部８０は、出力電圧指令Ｖ＊に対して交流電源の電圧Ｖｒが小さく、かつその差が所定値よりも大きい第２条件のとき、第１周波数ｆ１よりも高い第２周波数ｆ２のキャリア信号Ｓｃを指令する。
2015052743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧指令に対応する交流電圧を出力する電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、３レベルの電圧を出力する直流電源、前記直流電源の中間電位点に一端が接続される交流電源、前記直流電源の３レベル電圧および前記交流電源の電圧のいずれかを選択して出力するインバータ、前記インバータの出力電圧を平滑するリアクトルおよび前記インバータを前記出力電圧指令にしたがって制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記出力電圧指令に対して前記交流電源の電圧が小さく、かつその差が所定値よりも小さい第１の条件のとき、第１の周波数のキャリア信号を指令し、
前記出力電圧指令に対して前記交流電源の電圧が小さく、かつその差が所定値よりも大きい第２の条件のとき、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数のキャリア信号を指令するとともに、
前記出力電圧指令と前記指令されたキャリア信号に基づいて制御信号を生成し、
前記インバータは、前記制御信号にしたがって、前記出力電圧指令に対応する交流電圧を出力する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、少なくとも前記出力電圧指令および前記交流電源の電圧それぞれの実効値に基づいて前記第１の条件と第２の条件とを判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、少なくとも前記出力電圧指令および前記交流電源の電圧それぞれの瞬時値に基づいて前記第１の条件と第２の条件とを判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記キャリア信号の第１の周波数と第２の周波数とは、それぞれの周波数でインバータが動作したときに、リアクトルに流れるリプル電流の最大振幅が略同じになる関係に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記キャリア信号の第２の周波数は、前記出力電圧指令と前記交流電源の電圧の差に応じて設定され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６】
前記インバータは、前記交流電源の電圧が０Ｖに低下するまで、動作することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記インバータは、少なくともスイッチング素子直列回路と双方向スイッチとを含み、
スイッチング素子直列回路は、第１のダイオードが逆並列に接続される第１のスイッチング素子と第２のダイオードが逆並列に接続される第２のスイッチング素子とを直列接続してなり、
スイッチング素子直列回路は、前記直流電源の両端に接続され、
双方向スイッチは、一端が前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記交流電源の他端と接続される、
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８】
前記第１と第２のスイッチング素子は、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第１と第２のダイオードは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを逆並列に接続して構成されていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたダイオードを含むことを特徴とする請求項７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、交流電源の電圧が低下しても、安定した電圧を負荷に供給することができる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源の電圧が低下しても負荷に安定した電圧を供給する電力変換装置として、常時インバータ給電方式の電力変換装置が知られている。図７は、特許文献１および特許文献２に開示されている常時インバータ給電方式の電力変換装置を説明するための図である。図において、１は単相の交流電源、２はコンデンサ、３はコンバータ、４はインバータ、５はフィルタ、６は負荷である。
この電力変換装置は、交流電源１の電圧を一旦直流電圧に変換し、この直流電圧を再度交流電圧に変換して負荷６に供給する。【０００３】
ここで、交流電源１の電圧を直流電圧に変換する動作は、コンバータ３によって行われる。コンバータ３は、スイッチング素子Ｑｐ，Ｑｎをオンオフさせることによって、交流電源１の電圧を直流電圧に変換する。コンバータ３が生成する直流電圧は、コンデンサＣｐ，Ｃｎで平滑される。コンデンサＣｐ，Ｃｎで平滑された直流電圧が、インバータ４に出力される。【０００４】
インバータ４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２および双方向スイッチＢＳ１を選択的にオンオフさせることによって、コンデンサＣｐ，Ｃｎの直流電圧を、パルス幅制御されたパルス列の交流電圧Ｖｕに変換する。フィルタ５は、このパルス列からなる交流電圧Ｖｕに含まれる高調波成分を除去し、正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する。この正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄが、負荷６に印加される。【０００５】
上記電力変換装置は、その動作モードとして、直送モード、昇圧モード、降圧モード、バックアップモードを備えている。電力変換装置がいずれのモードで動作するかは、交流電源１の電圧等を検出することによって、決定される。【０００６】
直送モードは、交流電源１の電圧が所定の範囲内にあるとき、交流電源１の電圧を交流電圧Ｖｌｏａｄとして出力する動作モードである。この動作モードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフし、双方向スイッチＢＳ１がオンしている。【０００７】
昇圧モードは、交流電源１の電圧が所定値よりも低くなったとき、交流電源１の電圧を昇圧して、所定の振幅を有する交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する動作モードである。この動作モードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２および双方向スイッチＢＳ１が、パルス幅変調された制御信号に基づいて、選択的にオンオフする。【０００８】
降圧モードは、交流電源１の電圧が所定値よりも高くなったとき、交流電源１の電圧を降圧して、所定の振幅を有する交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する動作モードである。この動作モードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフし、双方向スイッチＢＳ１がパルス幅変調された制御信号に基づいてオンオフする。【０００９】
バックアップモードは、交流電源１の停電を検出したとき、コンデンサＣｐ，Ｃｎの直流電圧を用いて、所定の振幅を有する交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する動作モードである。この動作モードでは、双方向スイッチＢＳ１がオフし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が、パルス幅変調された制御信号に基づいて、選択的にオンオフする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−０７５５８１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１２／０６７１６７Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記のような電力変換装置では、リプル電流を含んだ電流が、フィルタ５のリアクトルＬｆに流れる。リアクトルＬｆを小さくするためには、このリプル電流によって生じる損失を抑制する必要がある。そのため、上記電力変換装置では、リアクトルＬｆに流れる電流のリプル成分を、所定値内に抑制しなければならない。【００１２】
一方、上記電力変換装置は、昇圧モード時及びバックアップモード時の両動作において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を同じ周波数でオンオフさせる。リアクトルＬｆに印加される電圧の変化幅は、直流電源の電圧のみを用いて交流電圧を出力するときに最大となる。したがって、バックアップモード時に、リアクトルＬｆに流れるリプル電流が最大になる。そのため、バックアップモード時のリプル電流が所定値以内になるように、リアクトルＬｆのインダクタンス値が決定される。【００１３】
しかしながら、このようにして決めたリアクトルＬｆのインダクタンス値は、昇圧動作時に必要とされるインダクタンス値に比べて、大きな値となる。大きなインダクタンス値を得るためには、リアクトルＬｆの鉄心に巻き回すコイルの巻数を増やす必要がある。コイルの巻数を増やすと、コイルの導体抵抗が増加し、リアクトルＬｆの銅損が増加する。その結果、電力変換装置の効率が低下するという問題が生じる。また、リアクトルＬｆが大きくなることにともない、電力変換装置が大型化するという問題がある。【００１４】
本発明は、このような従来技術が有している問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、リアクトルＬｆのインダクタンス値の増加を抑制しながら、交流電源の瞬時電圧低下時においても、リプル電流を所定値内に抑制することができる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、出力電圧指令に基づいて交流電圧を出力する電力変換装置に適用される。この電力変換装置は、直流電源、交流電源、インバータ、このインバータの出力電圧を平滑するリアクトルおよびインバータを制御する制御部を備えている。交流電源の一端は、直流電源の中間電位点に接続されている。
制御部は、第１の条件のとき、第１の周波数のキャリア信号を指令する。また、制御部は、第２の条件のとき、第１の周波数よりも高い第２の周波数のキャリア信号を指令する。第１の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも小さいことである。第２の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも大きいことである。そして、制御部は、出力電圧指令と指令されたキャリア信号とに基づいて、インバータを動作させるための制御信号を生成する。
インバータは、制御部で生成された制御信号に基づいて、所定の交流電圧を出力する。この交流電圧は、直流電源の両端電圧および中性点電圧と交流電源の電圧とを用いて、生成される。【００１６】
上記電力変換装置において、制御部は、第１の条件と第２の条件とを判断するに際し、少なくとも出力電圧指令および交流電源の電圧それぞれの実効値、または、それぞれの瞬時値を用いることができる。【００１７】
上記電力変換装置において、キャリア信号の第１の周波数と第２の周波数とは、それぞれの周波数でインバータが動作したときに、リアクトルに流れるリプル電流の最大振幅が略同じになる関係に設定されている。【００１８】
上記電力変換装置において、キャリア信号の第２の周波数は、出力電圧指令と交流電源の電圧との差に応じて設定される。【００１９】
上記電力変換装置において、インバータは、交流電源の電圧が０Ｖに低下するまで、動作する。【００２０】
上記電力変換装置におけるインバータの実施態様は、少なくともスイッチング素子直列回路と双方向スイッチとを含む。スイッチング素子直列回路は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列に接続して構成されている。スイッチング素子直列回路は、直流電源の両端に接続される。第１のスイッチング素子には、第１のダイオードが逆並列に接続される。第２のスイッチング素子には、第２のダイオードが逆並列に接続される。
双方向スイッチの一端は、第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端は、交流電源の他端と接続される。【００２１】
上記電力変換装置のインバータにおいて、第１と第２のスイッチング素子は、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴで構成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、第１と第２のダイオードは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを逆並列に接続して構成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたダイオードを含む構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、昇圧モードにおいて、インバータの動作周波数を切り替えるので、リアクトルのインダクタンス値の増加を抑制しながら、交流電源の瞬時電圧低下時においても、リプル電流を所定値内に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用した電力変換装置の一の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明を適用した電力変換装置の制御部を説明するための図である。
【図３】キャリア信号の切替えの実施例を説明するための図である。
【図４】昇圧モード時の出力電圧波形を説明するための図である。
【図５】昇圧モード時（Ｖｒ＝０Ｖ）の出力電圧波形を説明するための図である。
【図６】本発明を適用した電力変換装置の他の実施形態を説明するための図である。
【図７】従来技術に係る電力変換装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。図において、１は単相の交流電源である。交流電源１の端子Ｒと端子Ｓとの間に、コンデンサ２が接続される。また、３０は直流電源、４０はインバータ、５はフィルタ、６は負荷、８０は制御部である。
【００２５】
直流電源３０は、正側直流電源Ｐｓｐ（第１の直流電源）と負側直流電源Ｐｓｎ（第２の直流電源）とを直列接続してなる電源である。直流電源３０は、端子Ｐ，Ｏ，Ｎを備えている。端子Ｐは、直流電源３０の高電位側端子に接続される。端子Ｎは、直流電源３０の低電位側端子に接続される。端子Ｏは、直流電源Ｐｓｐと直流電源Ｐｓｎの接続点（直流電源３０の中間電圧を出力する端子）に接続される。交流電源１の端子Ｓは、直流電源３０の端子Ｏに接続されている。
直流電源Ｐｓｐと直流電源Ｐｓｎからなる直流電源３０は、例えば、図７に示したコンバータ３で構成することができる。コンバータ３は、交流電源１の電圧Ｖｒを用いて３レベルの電位を出力する。しかし、直流電源３０は、コンバータ３のような回路構成に限られるものではなく、他の方式によって構成された回路であってもよい。
【００２６】
インバータ４０は、スイッチング素子直列回路と双方向スイッチＢＳ１とで構成されている。また、インバータ４０は、交流電圧を出力するための端子Ｕ（第１の交流出力端子）と端子Ｖ（第２の交流出力端子）とを備えている。
スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した回路である。このスイッチング素子直列回路は、直流電源３０の端子Ｐと端子Ｎの間に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点は、端子Ｕに接続されている。端子Ｖは、直流電源３０の端子Ｏに接続されている。
双方向スイッチＢＳ１は、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を逆並列接続した回路である。この双方向スイッチＢＳ１は、端子Ｕと端子Ｒとの間に接続されている。具体的には、スイッチ素子Ｓ１のコレクタ端子側が端子Ｒに接続される。また、スイッチ素子Ｓ１のエミッタ端子側が端子Ｕに接続される。
【００２７】
フィルタ５は、リアクトルＬｆとコンデンサＣｆの直列回路で構成されている。フィルタ５は、インバータ４０の端子Ｕ，Ｖ間に接続される。負荷６は、コンデンサＣｆの両端に接続される。
【００２８】
図１では、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Insulated  Gate Bipolar Transistor）で示している。しかし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、このように構成された素子に限られない。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など、交流電源１の周波数に対して数１０倍以上の高い周波数でオンオフ動作ができる他の半導体素子を用いて構成しても良い。
【００２９】
双方向スイッチＢＳ１は、一方のスイッチ素子をオンすることによって一方向に電流を流すことができる。また、双方向スイッチＢＳ１は、他方のスイッチ素子をオンすることによって他方向に電流を流すことができる。したがって、双方向スイッチＢＳ１は、このような機能を発揮することができれば、他の構成によるものであっても良い。
【００３０】
上記電力変換装置において、直流電源３０の端子Ｐは、直流電源Ｐｓｐの正電位（以下、正電圧Ｖｐという。）を出力する。直流電源３０の端子Ｏは、直流電源３０の中間電位（以下、ゼロ電圧という。）を出力する。直流電源３０の端子Ｎは、直流電源Ｐｓｎの負電位（以下、負電圧Ｖｎという。）を出力する。交流電源１の端子Ｒは、交流電源１の電圧Ｖｒを出力する。
【００３１】
インバータ４０は、スイッチング素子Ｑ１に電流を流すことで、端子Ｕ，Ｖ間に、正電圧Ｖｐを出力する。また、インバータ４０は、スイッチング素子Ｑ２に電流を流すことで、端子Ｕ，Ｖ間に、負電圧Ｖｎを出力する。また、インバータ４０は、双方向スイッチＢＳ１のいずれかの方向に電流を流すことで、端子Ｕ，Ｖ間に、交流電源１の電圧Ｖｒを出力する。そして、インバータ４０は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と双方向スイッチＢＳ１のオンオフ動作を制御することによって、端子Ｕ，Ｖ間に、単相の交流電圧Ｖｕを出力する。
【００３２】
次に、本実施形態に係る電力変換装置の動作について、説明する。この電力変換装置は、直送モード、昇圧モード、降圧モードを有する。この電力変換装置の直送モードおよび降圧モードの動作は、図７に示した電力変換装置と同様である。以下では、主に、昇圧モードにおけるこの電力変換装置の動作を説明し、直送モードおよび降圧モードの説明は、省略する。
【００３３】
この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが第１の設定電圧以下になったとき、昇圧モードで動作する。そして、この電力変換装置は、電圧Ｖｒがさらに低下して０Ｖに至るまで、昇圧モードの動作を継続する。この間、交流電源１の停電は検出されない。ここで、昇圧モードは、電力変換装置が、交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源３０の３レベル電圧（電圧Ｖｐ，Ｖｎおよびゼロ電圧）とを用いて、電圧Ｖｒよりも大きい所定の電圧Ｖｌｏａｄを出力するモードである。
【００３４】
この電力変換装置は、昇圧モードにおいて、交流電源１の電圧Ｖｒの大きさに応じてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフする周波数を切り替える。この動作により、リアクトルＬｆに流れるリプル電流の増加が抑制される。
具体的には、この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが出力電圧指令Ｖ＊よりも小さく、かつ電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値よりも小さいとき（第１の条件）、第１の周波数で昇圧動作を行う。また、この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが出力電圧指令Ｖ＊よりも小さく、かつ電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値以上のとき（第２の条件）、第２の周波数で昇圧動作を行う。第２の周波数は、第１の周波数よりも高い周波数である。
【００３５】
電力変換装置の上記動作モードを実現するため、制御回路８０は、図２に示す制御ブロックで実現される機能を備えている。制御回路８０の出力電圧指令生成回路８１、動作モード判定回路８２およびキャリア信号生成回路８３には、電圧検出器７１によって検出された交流電源１の電圧Ｖｒが入力される。また、変調信号生成回路８４には、電圧検出器７２によって検出された直流電源Ｐｓｐの電圧Ｖｐと電圧検出器７３によって検出された直流電源Ｐｓｎの電圧Ｖｎとが入力される。
【００３６】
出力電圧指令生成回路８１は、電力変換装置の出力電圧の指令Ｖ＊を出力する。出力電圧指令Ｖ＊は、交流電源１の電圧Ｖｒに同期している。出力電圧指令Ｖ＊は、動作モード判定回路８２および変調信号生成回路８４に入力される。
【００３７】
動作モード判定回路８２は、交流電源１の電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との大小を比較した結果にしたがって、電力変換装置の動作モード信号δを生成する。すなわち、交流電源１の電圧Ｖｒが、出力電圧指令Ｖ＊に対して、予め決められた範囲内にあれば、動作モード判定回路８２は、動作モード信号δを、直送モードを示す信号に設定する。また、交流電源１の電圧Ｖｒが、出力電圧指令Ｖ＊を中心として、予め決められた範囲の上限値よりも大きければ、動作モード判定回路８２は、動作モード信号δを、降圧モードを示す信号に設定する。また、交流電源１の電圧Ｖｒが、出力電圧指令Ｖ＊に対して、予め決められた範囲の下限値よりも小さければ、動作モード判定回路８２は、動作モード信号δを、昇圧モードを示す信号に設定する。以下では、この予め決められた範囲の下限値を、第１の設定値という。
なお、直送モードを設けない場合は、第１の設定値は、出力電圧指令Ｖ＊に等しい値となる。
【００３８】
キャリア信号生成回路８３は、動作モード信号δにしたがって、たとえば三角波状のキャリア信号Ｓｃを出力する。そして、動作モード信号δが昇圧モードであって、電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値（第２の設定値）よりも小さいとき（第１の条件）、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１とする。また、動作モード信号δが昇圧モードであって、電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値（第２の設定値）以上のとき（第２の条件）、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第２の周波数ｆ２とする。キャリア信号生成回路８３から出力されたキャリア信号Ｓｃは、パルス幅変調回路８５に入力される。
【００３９】
ここで、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの大小関係は、それぞれの実効値またはそれぞれの瞬時値を比較することで、判定することができる。それぞれの電圧の実効値を比較する場合、キャリア信号生成回路８３は、出力電圧の１周期ごとにキャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２に設定する。また、それぞれの電圧の瞬時値を比較する場合、キャリア信号生成回路８３は、比較した制御周期ごとにキャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２に設定する。
【００４０】
図３は、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒそれぞれの瞬時値を比較してキャリア信号Ｓｃの周波数を設定した場合の各信号の関係を示している。例えば、交流電源１の電圧Ｖｒが正弦波状を保って低下すると、出力電圧指令Ｖ＊の位相がπ／２および３π／２付近において、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が第２の設定値以上となる。キャリア信号生成回路８３は、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が第２の設定値以上となる領域（出力電圧指令Ｖ＊の位相がπ／２および３π／２付近）において、キャリア信号Ｓｃの周波数を第２の周波数ｆ２に設定する。他の領域では、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１に設定する。
【００４１】
出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒそれぞれの実効値を比較する場合は、キャリア信号生成回路８３は、出力電圧指令Ｖ＊の一周期ごとに、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２に設定する。
【００４２】
なお、動作モード信号δが直送モードもしくは降圧モードを示すとき、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１に設定する。ただし、動作モード信号δが直送モードもしくは降圧モードを示すとき、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１とは異なる第３の周波数ｆ３としても良い。
【００４３】
変調信号生成回路８４は、出力電圧指令Ｖ＊を用いて、変調信号λを生成する。変調信号λは、キャリア信号Ｓｃの振幅を基準に正規化された信号である。変調信号λの正規化には、直流電源３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎが用いられる。変調信号生成回路８４から出力された変調信号λは、パルス幅変調回路８５に入力される。
【００４４】
パルス幅変調回路８５は、キャリア信号Ｓｃと変調信号λとを用いて、インバータ４０を動作させるための制御信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇｓ１，Ｇｓ２を生成する。制御信号Ｇ１は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ動作させるための信号である。制御信号Ｇ２は、スイッチング素子Ｑ２をオンオフ動作させるための信号である。制御信号Ｇｓ１は、スイッチ素子Ｓ１をオンオフ動作させるための信号である。制御信号Ｇｓ２は、スイッチング素子Ｓ２をオンオフ動作させるための信号である。
【００４５】
上記制御回路８０から出力される制御信号にしたがってインバータ４０が昇圧モードで動作すると、端子Ｕ−Ｖ間には、図４に示す交流電圧Ｖｕが出力される。交流電圧Ｖｕは、交流電源１の電圧Ｖｒと電圧Ｖｐまたは電圧Ｖｎとを選択的に出力することにより得られる電圧である。交流電圧Ｖｕには、多くの高調波成分が含まれている。この高調波成分は、フィルタ５によって除去することができる。交流電圧Ｖｕから高調波成分を除去することにより、正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄが得られる。負荷６には、正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄが印加される。
昇圧モードにおいて交流電源１の電圧Ｖｒが０Ｖまで低下すると、交流電圧Ｖｕと交流電圧Ｖｌｏａｄとは、図５に示す波形となる。交流電源１の電圧Ｖｒが０Ｖであるので、交流電圧Ｖｕは、振幅がＶｐまたはＶｎのパルス列からなる電圧である。
【００４６】
次に、フィルタ５のリアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕについて説明する。
上述のとおり、インバータ４０は、直送モード、降圧モード、昇圧モードのいずれかのモードで動作する。
インバータ４０が直送モードで動作するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はいずれもオフする。一方、双方向スイッチＢＳ１は双方向に導通可能な状態になる。この場合、交流電源１の電圧Ｖｒが、端子Ｕ−Ｖ間に出力される。したがって、リアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕは、正弦波状である。この電流Ｉｕには、インバータ４０の動作に伴うリプル成分は含まれない。
【００４７】
インバータ４０が降圧モードで動作するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はいずれもオフしている。一方、双方向スイッチＢＳ１は、制御信号Ｇｓ１，Ｇｓ２にしたがって、オンオフ動作を行う。制御信号Ｇｓ１，Ｇｓ２は、周波数ｆ１のキャリア信号Ｓｃと変調信号λとを用いて、パルス幅変調された信号である。
この場合、端子Ｕ−Ｖ間には、交流電源１の電圧Ｖｒをパルス幅変調した電圧Ｖｕが出力される。したがって、リアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕには、双方向スイッチＢＳ１のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Ｓｃの周波数ｆ１の２倍の周波数である。
【００４８】
インバータ４０が昇圧モードで動作するとき、双方向スイッチＢＳ１は、常に、オン状態にある。一方、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、制御信号Ｇ１，Ｇ２にしたがって、オンオフ動作を行う。この制御信号Ｇ１，Ｇ２は、キャリア信号Ｓｃと変調信号λとを用いて、パルス幅変調された信号である。キャリア信号Ｓｃの周波数は、第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２である。
この場合、端子Ｕ−Ｖ間には、交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源３０の電圧をパルス幅変調した電圧とを交互に選択して得られる電圧Ｖｕが出力される。したがって、リアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕには、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Ｓｃの周波数の２倍の周波数である。
【００４９】
ここで、インバータ４０が昇圧モードで動作するとき、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が大きくなるに従い、リアクトルＬｆに流れるリプル電流が大きくなる。一方、キャリア信号Ｓｃの周波数が高くなると、リアクトルＬｆに流れるリプル電流が小さくなる。ただし、キャリア信号Ｓｃの周波数を高くなると、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング損失が増加する。
【００５０】
したがって、リアクトルＬｆのインダクタンス値とキャリア信号Ｓｃの周波数とは、リアクトルＬｆに流れるリプル電流の大きさが所定値となるように設定される。そして、キャリア信号Ｓｃの第１の周波数ｆ１は、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が予め定められた第２の設定値に等しいことを条件に設定される。
このときリアクトルＬｆに流れるリプル電流（第１のリプル電流）によってリアクトルＬｆで生じる損失（第１の損失）は、所定値内になるように設定されている。また、リアクトルＬｆに流れる最大電流の値（第１の最大電流値）は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の可制御範囲内になるように設定されている。
【００５１】
次に、キャリア信号Ｓｃの第２の周波数ｆ２は、交流電源１の電圧Ｖｒが０Ｖになっていることを条件に設定される。なお、リアクトルＬｆのインダクタンス値は、上記で設定した値である。
上記条件において、インバータ４０が昇圧モードで動作すると、リアクトルＬｆに流れるリプル電流は、上記第１のリプル電流とほぼ同じ値になる。また、リアクトルＬｆに流れる電流の最大値は、上記第１の最大電流値とほぼ同じになる。
一方、リプル電流の周波数が高くなったことにより、リアクトルＬｆに生じる損失は、上記第１の損失よりも大きくなる。しかし、リアクトルの熱時定数は交流電源１の瞬時電圧低下時間よりも長いため、熱的な問題は生じない。
【００５２】
以上のとおり、本実施形態に係る電力変換装置は、リアクトルＬｆのインダクタンス値の増加を抑制しながら、交流電源１の瞬時電圧低下時においても、リアクトルＬｆに流れるリプル電流を所定値内に抑制することができる。
【００５３】
なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を構成する半導体素子は、炭化ケイ素または窒化ガリウムを材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体素子は、低損失・高周波化が可能であり、また、高温動作が可能であるという特徴を有している。
また、双方向スイッチＢＳ１を構成する半導体素子は、同様に、炭化ケイ素または窒化ガリウムを材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成しても良い。
【００５４】
本発明の適用対象は、上記で説明した実施形態に限られない。例えば、本発明は、図６に示す電力変換装置にも適用することができる。この電力変換装置が図１に示した電力変換装置と異なる点は、インバータ４１が、インバータ４０に対して、さらに双方向スイッチＢＳ２を備えているところである。このインバータ４１は、昇圧モードにおいて、双方向スイッチＢＳ１，ＢＳ２をオフさせることにより、インバータ４０と同様の動作を行う。
このように、図１に示したインバータ回路４０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と双方向スイッチＢＳ１とを備えて交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源３０の電圧とを用いて昇圧動作を行う電力変換装置であれば、本発明を適用することができる。
【００５５】
本発明は、瞬時電圧低下補償装置または無停電電源装置など、交流電源の電圧変動および交流電源の停電が発生しても、負荷に安定な電圧を供給するための電力変換装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１    交流電源、２    コンデンサ、３    コンバータ、３０    直流電源、４，４０，４１    インバータ、５    フィルタ、６    負荷、８０，８１    制御部。
【図１】
2015052743.tif 000003
【図２】
2015052743.tif 000004
【図３】
2015052743.tif 000005
【図４】
2015052743.tif 000006
【図５】
2015052743.tif 000007
【図６】
2015052743.tif 000008
【図７】
2015052743.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月8日(2015.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源の電圧が低下しても、安定した電圧を負荷に供給することができる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源の電圧が低下しても負荷に安定した電圧を供給する電力変換装置として、常時インバータ給電方式の電力変換装置が知られている。図７は、特許文献１および特許文献２に開示されている常時インバータ給電方式の電力変換装置を説明するための図である。図において、１は単相の交流電源、２はコンデンサ、３はコンバータ、４はインバータ、５はフィルタ、６は負荷である。
この電力変換装置は、交流電源１の電圧を一旦直流電圧に変換し、この直流電圧を再度交流電圧に変換して負荷６に供給する。
【０００３】
ここで、交流電源１の電圧を直流電圧に変換する動作は、コンバータ３によって行われる。コンバータ３は、スイッチング素子Ｑｐ，Ｑｎをオンオフさせることによって、交流電源１の電圧を直流電圧に変換する。コンバータ３が生成する直流電圧は、コンデンサＣｐ，Ｃｎで平滑される。コンデンサＣｐ，Ｃｎで平滑された直流電圧が、インバータ４に出力される。
【０００４】
インバータ４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２および双方向スイッチＢＳ１を選択的にオンオフさせることによって、コンデンサＣｐ，Ｃｎの直流電圧を、パルス幅制御されたパルス列の交流電圧Ｖｕに変換する。フィルタ５は、このパルス列からなる交流電圧Ｖｕに含まれる高調波成分を除去し、正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する。この正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄが、負荷６に印加される。
【０００５】
上記電力変換装置は、その動作モードとして、直送モード、昇圧モード、降圧モード、バックアップモードを備えている。電力変換装置がいずれのモードで動作するかは、交流電源１の電圧等を検出することによって、決定される。
【０００６】
直送モードは、交流電源１の電圧が所定の範囲内にあるとき、交流電源１の電圧を交流電圧Ｖｌｏａｄとして出力する動作モードである。この動作モードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフし、双方向スイッチＢＳ１がオンしている。
【０００７】
昇圧モードは、交流電源１の電圧が所定値よりも低くなったとき、交流電源１の電圧を昇圧して、所定の振幅を有する交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する動作モードである。この動作モードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２および双方向スイッチＢＳ１が、パルス幅変調された制御信号に基づいて、選択的にオンオフする。
【０００８】
降圧モードは、交流電源１の電圧が所定値よりも高くなったとき、交流電源１の電圧を降圧して、所定の振幅を有する交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する動作モードである。この動作モードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフし、双方向スイッチＢＳ１がパルス幅変調された制御信号に基づいてオンオフする。
【０００９】
バックアップモードは、交流電源１の停電を検出したとき、コンデンサＣｐ，Ｃｎの直流電圧を用いて、所定の振幅を有する交流電圧Ｖｌｏａｄを出力する動作モードである。この動作モードでは、双方向スイッチＢＳ１がオフし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が、パルス幅変調された制御信号に基づいて、選択的にオンオフする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−０７５５８１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１２／０６７１６７Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記のような電力変換装置では、リプル電流を含んだ電流が、フィルタ５のリアクトルＬｆに流れる。リアクトルＬｆを小さくするためには、このリプル電流によって生じる損失を抑制する必要がある。そのため、上記電力変換装置では、リアクトルＬｆに流れる電流のリプル成分を、所定値内に抑制しなければならない。
【００１２】
一方、上記電力変換装置は、昇圧モード時及びバックアップモード時の両動作において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を同じ周波数でオンオフさせる。リアクトルＬｆに印加される電圧の変化幅は、直流電源の電圧のみを用いて交流電圧を出力するときに最大となる。したがって、バックアップモード時に、リアクトルＬｆに流れるリプル電流が最大になる。そのため、バックアップモード時のリプル電流が所定値以内になるように、リアクトルＬｆのインダクタンス値が決定される。
【００１３】
しかしながら、このようにして決めたリアクトルＬｆのインダクタンス値は、昇圧動作時に必要とされるインダクタンス値に比べて、大きな値となる。大きなインダクタンス値を得るためには、リアクトルＬｆの鉄心に巻き回すコイルの巻数を増やす必要がある。コイルの巻数を増やすと、コイルの導体抵抗が増加し、リアクトルＬｆの銅損が増加する。その結果、電力変換装置の効率が低下するという問題が生じる。また、リアクトルＬｆが大きくなることにともない、電力変換装置が大型化するという問題がある。
【００１４】
本発明は、このような従来技術が有している問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、リアクトルＬｆのインダクタンス値の増加を抑制しながら、交流電源の瞬時電圧低下時においても、リプル電流を所定値内に抑制することができる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、出力電圧指令に基づいて交流電圧を出力する電力変換装置に適用される。この電力変換装置は、直流電源、交流電源、インバータ、このインバータの出力電圧を平滑するリアクトルおよびインバータを制御する制御部を備えている。交流電源の一端は、直流電源の中間電位点に接続されている。
制御部は、第１の条件のとき、第１の周波数のキャリア信号を指令する。また、制御部は、第２の条件のとき、第１の周波数よりも高い第２の周波数のキャリア信号を指令する。第１の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも小さいことである。第２の条件は、出力電圧指令に対して交流電源の電圧が小さく、かつ両者の差が所定値よりも大きいことである。そして、制御部は、出力電圧指令と指令されたキャリア信号とに基づいて、インバータを動作させるための制御信号を生成する。
インバータは、制御部で生成された制御信号に基づいて、所定の交流電圧を出力する。この交流電圧は、直流電源の両端電圧および中性点電圧と交流電源の電圧とを用いて、生成される。
【００１６】
上記電力変換装置において、制御部は、第１の条件と第２の条件とを判断するに際し、少なくとも出力電圧指令および交流電源の電圧それぞれの実効値、または、それぞれの瞬時値を用いることができる。
【００１７】
上記電力変換装置において、キャリア信号の第１の周波数と第２の周波数とは、それぞれの周波数でインバータが動作したときに、リアクトルに流れるリプル電流の最大振幅が略同じになる関係に設定されている。
【００１８】
上記電力変換装置において、キャリア信号の第２の周波数は、出力電圧指令と交流電源の電圧との差に応じて設定される。
【００１９】
上記電力変換装置において、インバータは、交流電源の電圧が０Ｖに低下するまで、動作する。
【００２０】
上記電力変換装置におけるインバータの実施態様は、少なくともスイッチング素子直列回路と双方向スイッチとを含む。スイッチング素子直列回路は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列に接続して構成されている。スイッチング素子直列回路は、直流電源の両端に接続される。第１のスイッチング素子には、第１のダイオードが逆並列に接続される。第２のスイッチング素子には、第２のダイオードが逆並列に接続される。
双方向スイッチの一端は、第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続され、他端は、交流電源の他端と接続される。
【００２１】
上記電力変換装置のインバータにおいて、第１と第２のスイッチング素子は、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴで構成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、第１と第２のダイオードは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを逆並列に接続して構成することができる。
また、上記電力変換装置のインバータにおいて、双方向スイッチは、炭化ケイ素または窒化ガリウムのいずれか一方を材料とするワイドバンドギャップ半導体で形成されたダイオードを含む構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、昇圧モードにおいて、インバータの動作周波数を切り替えるので、リアクトルのインダクタンス値の増加を抑制しながら、交流電源の瞬時電圧低下時においても、リプル電流を所定値内に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用した電力変換装置の一の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明を適用した電力変換装置の制御部を説明するための図である。
【図３】キャリア信号の切替えの実施例を説明するための図である。
【図４】昇圧モード時の出力電圧波形を説明するための図である。
【図５】昇圧モード時（Ｖｒ＝０Ｖ）の出力電圧波形を説明するための図である。
【図６】本発明を適用した電力変換装置の他の実施形態を説明するための図である。
【図７】従来技術に係る電力変換装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の回路構成を説明するための図である。図において、１は単相の交流電源である。交流電源１の端子Ｒと端子Ｓとの間に、コンデンサ２が接続される。また、３０は直流電源、４０はインバータ、５はフィルタ、６は負荷、８０は制御部である。
【００２５】
直流電源３０は、正側直流電源Ｐｓｐ（第１の直流電源）と負側直流電源Ｐｓｎ（第２の直流電源）とを直列接続してなる電源である。直流電源３０は、端子Ｐ，Ｏ，Ｎを備えている。端子Ｐは、直流電源３０の高電位側端子に接続される。端子Ｎは、直流電源３０の低電位側端子に接続される。端子Ｏは、直流電源Ｐｓｐと直流電源Ｐｓｎの接続点（直流電源３０の中間電圧を出力する端子）に接続される。交流電源１の端子Ｓは、直流電源３０の端子Ｏに接続されている。
直流電源Ｐｓｐと直流電源Ｐｓｎからなる直流電源３０は、例えば、図７に示したコンバータ３で構成することができる。コンバータ３は、交流電源１の電圧Ｖｒを用いて３レベルの電位を出力する。しかし、直流電源３０は、コンバータ３のような回路構成に限られるものではなく、他の方式によって構成された回路であってもよい。
【００２６】
インバータ４０は、スイッチング素子直列回路と双方向スイッチＢＳ１とで構成されている。また、インバータ４０は、交流電圧を出力するための端子Ｕ（第１の交流出力端子）と端子Ｖ（第２の交流出力端子）とを備えている。
スイッチング素子直列回路は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した回路である。このスイッチング素子直列回路は、直流電源３０の端子Ｐと端子Ｎの間に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点は、端子Ｕに接続されている。端子Ｖは、直流電源３０の端子Ｏに接続されている。
双方向スイッチＢＳ１は、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を逆並列接続した回路である。この双方向スイッチＢＳ１は、端子Ｕと端子Ｒとの間に接続されている。具体的には、スイッチ素子Ｓ１のコレクタ端子側が端子Ｒに接続される。また、スイッチ素子Ｓ１のエミッタ端子側が端子Ｕに接続される。
【００２７】
フィルタ５は、リアクトルＬｆとコンデンサＣｆの直列回路で構成されている。フィルタ５は、インバータ４０の端子Ｕ，Ｖ間に接続される。負荷６は、コンデンサＣｆの両端に接続される。
【００２８】
図１では、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Insulated  Gate Bipolar Transistor）で示している。しかし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、このように構成された素子に限られない。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など、交流電源１の周波数に対して数１０倍以上の高い周波数でオンオフ動作ができる他の半導体素子を用いて構成しても良い。
【００２９】
双方向スイッチＢＳ１は、一方のスイッチ素子をオンすることによって一方向に電流を流すことができる。また、双方向スイッチＢＳ１は、他方のスイッチ素子をオンすることによって他方向に電流を流すことができる。したがって、双方向スイッチＢＳ１は、このような機能を発揮することができれば、他の構成によるものであっても良い。
【００３０】
上記電力変換装置において、直流電源３０の端子Ｐは、直流電源Ｐｓｐの正電位（以下、正電圧Ｖｐという。）を出力する。直流電源３０の端子Ｏは、直流電源３０の中間電位（以下、ゼロ電圧という。）を出力する。直流電源３０の端子Ｎは、直流電源Ｐｓｎの負電位（以下、負電圧Ｖｎという。）を出力する。交流電源１の端子Ｒは、交流電源１の電圧Ｖｒを出力する。
【００３１】
インバータ４０は、スイッチング素子Ｑ１に電流を流すことで、端子Ｕ，Ｖ間に、正電圧Ｖｐを出力する。また、インバータ４０は、スイッチング素子Ｑ２に電流を流すことで、端子Ｕ，Ｖ間に、負電圧Ｖｎを出力する。また、インバータ４０は、双方向スイッチＢＳ１のいずれかの方向に電流を流すことで、端子Ｕ，Ｖ間に、交流電源１の電圧Ｖｒを出力する。そして、インバータ４０は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と双方向スイッチＢＳ１のオンオフ動作を制御することによって、端子Ｕ，Ｖ間に、単相の交流電圧Ｖｕを出力する。
【００３２】
次に、本実施形態に係る電力変換装置の動作について、説明する。この電力変換装置は、直送モード、昇圧モード、降圧モードを有する。この電力変換装置の直送モードおよび降圧モードの動作は、図７に示した電力変換装置と同様である。以下では、主に、昇圧モードにおけるこの電力変換装置の動作を説明し、直送モードおよび降圧モードの説明は、省略する。
【００３３】
この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが第１の設定電圧以下になったとき、昇圧モードで動作する。そして、この電力変換装置は、電圧Ｖｒがさらに低下して０Ｖに至るまで、昇圧モードの動作を継続する。この間、交流電源１の停電は検出されない。ここで、昇圧モードは、電力変換装置が、交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源３０の３レベル電圧（電圧Ｖｐ，Ｖｎおよびゼロ電圧）とを用いて、電圧Ｖｒよりも大きい所定の電圧Ｖｌｏａｄを出力するモードである。
【００３４】
この電力変換装置は、昇圧モードにおいて、交流電源１の電圧Ｖｒの大きさに応じてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフする周波数を切り替える。この動作により、リアクトルＬｆに流れるリプル電流の増加が抑制される。
具体的には、この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが出力電圧指令Ｖ＊よりも小さく、かつ電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値よりも小さいとき（第１の条件）、第１の周波数で昇圧動作を行う。また、この電力変換装置は、交流電源１の電圧Ｖｒが出力電圧指令Ｖ＊よりも小さく、かつ電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値以上のとき（第２の条件）、第２の周波数で昇圧動作を行う。第２の周波数は、第１の周波数よりも高い周波数である。
【００３５】
電力変換装置の上記動作モードを実現するため、制御回路８０は、図２に示す制御ブロックで実現される機能を備えている。制御回路８０の出力電圧指令生成回路８１、動作モード判定回路８２およびキャリア信号生成回路８３には、電圧検出器７１によって検出された交流電源１の電圧Ｖｒが入力される。また、変調信号生成回路８４には、電圧検出器７２によって検出された直流電源Ｐｓｐの電圧Ｖｐと電圧検出器７３によって検出された直流電源Ｐｓｎの電圧Ｖｎとが入力される。
【００３６】
出力電圧指令生成回路８１は、電力変換装置の出力電圧の指令Ｖ＊を出力する。出力電圧指令Ｖ＊は、交流電源１の電圧Ｖｒに同期している。出力電圧指令Ｖ＊は、動作モード判定回路８２および変調信号生成回路８４に入力される。
【００３７】
動作モード判定回路８２は、交流電源１の電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との大小を比較した結果にしたがって、電力変換装置の動作モード信号δを生成する。すなわち、交流電源１の電圧Ｖｒが、出力電圧指令Ｖ＊に対して、予め決められた範囲内にあれば、動作モード判定回路８２は、動作モード信号δを、直送モードを示す信号に設定する。また、交流電源１の電圧Ｖｒが、出力電圧指令Ｖ＊を中心として、予め決められた範囲の上限値よりも大きければ、動作モード判定回路８２は、動作モード信号δを、降圧モードを示す信号に設定する。また、交流電源１の電圧Ｖｒが、出力電圧指令Ｖ＊に対して、予め決められた範囲の下限値よりも小さければ、動作モード判定回路８２は、動作モード信号δを、昇圧モードを示す信号に設定する。以下では、この予め決められた範囲の下限値を、第１の設定値という。
なお、直送モードを設けない場合は、第１の設定値は、出力電圧指令Ｖ＊に等しい値となる。
【００３８】
キャリア信号生成回路８３は、動作モード信号δにしたがって、たとえば三角波状のキャリア信号Ｓｃを出力する。そして、動作モード信号δが昇圧モードであって、電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値（第２の設定値）よりも小さいとき（第１の条件）、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１とする。また、動作モード信号δが昇圧モードであって、電圧Ｖｒと出力電圧指令Ｖ＊との差が所定値（第２の設定値）以上のとき（第２の条件）、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第２の周波数ｆ２とする。キャリア信号生成回路８３から出力されたキャリア信号Ｓｃは、パルス幅変調回路８５に入力される。
【００３９】
ここで、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの大小関係は、それぞれの実効値またはそれぞれの瞬時値を比較することで、判定することができる。それぞれの電圧の実効値を比較する場合、キャリア信号生成回路８３は、出力電圧の１周期ごとにキャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２に設定する。また、それぞれの電圧の瞬時値を比較する場合、キャリア信号生成回路８３は、比較した制御周期ごとにキャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２に設定する。
【００４０】
図３は、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒそれぞれの瞬時値を比較してキャリア信号Ｓｃの周波数を設定した場合の各信号の関係を示している。例えば、交流電源１の電圧Ｖｒが正弦波状を保って低下すると、出力電圧指令Ｖ＊の位相がπ／２および３π／２付近において、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が第２の設定値以上となる。キャリア信号生成回路８３は、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が第２の設定値以上となる領域（出力電圧指令Ｖ＊の位相がπ／２および３π／２付近）において、キャリア信号Ｓｃの周波数を第２の周波数ｆ２に設定する。他の領域では、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１に設定する。
【００４１】
出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒそれぞれの実効値を比較する場合は、キャリア信号生成回路８３は、出力電圧指令Ｖ＊の一周期ごとに、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２に設定する。
【００４２】
なお、動作モード信号δが直送モードもしくは降圧モードを示すとき、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１に設定する。ただし、動作モード信号δが直送モードもしくは降圧モードを示すとき、キャリア信号生成回路８３は、キャリア信号Ｓｃの周波数を第１の周波数ｆ１とは異なる第３の周波数ｆ３としても良い。
【００４３】
変調信号生成回路８４は、出力電圧指令Ｖ＊を用いて、変調信号λを生成する。変調信号λは、キャリア信号Ｓｃの振幅を基準に正規化された信号である。変調信号λの正規化には、直流電源３０の電圧Ｖｐ，Ｖｎが用いられる。変調信号生成回路８４から出力された変調信号λは、パルス幅変調回路８５に入力される。
【００４４】
パルス幅変調回路８５は、キャリア信号Ｓｃと変調信号λとを用いて、インバータ４０を動作させるための制御信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇｓ１，Ｇｓ２を生成する。制御信号Ｇ１は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ動作させるための信号である。制御信号Ｇ２は、スイッチング素子Ｑ２をオンオフ動作させるための信号である。制御信号Ｇｓ１は、スイッチ素子Ｓ１をオンオフ動作させるための信号である。制御信号Ｇｓ２は、スイッチ素子Ｓ２をオンオフ動作させるための信号である。
【００４５】
上記制御回路８０から出力される制御信号にしたがってインバータ４０が昇圧モードで動作すると、端子Ｕ−Ｖ間には、図４に示す交流電圧Ｖｕが出力される。交流電圧Ｖｕは、交流電源１の電圧Ｖｒと電圧Ｖｐまたは電圧Ｖｎとを選択的に出力することにより得られる電圧である。交流電圧Ｖｕには、多くの高調波成分が含まれている。この高調波成分は、フィルタ５によって除去することができる。交流電圧Ｖｕから高調波成分を除去することにより、正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄが得られる。負荷６には、正弦波状の交流電圧Ｖｌｏａｄが印加される。
昇圧モードにおいて交流電源１の電圧Ｖｒが０Ｖまで低下すると、交流電圧Ｖｕと交流電圧Ｖｌｏａｄとは、図５に示す波形となる。交流電源１の電圧Ｖｒが０Ｖであるので、交流電圧Ｖｕは、振幅がＶｐまたはＶｎのパルス列からなる電圧である。
【００４６】
次に、フィルタ５のリアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕについて説明する。
上述のとおり、インバータ４０は、直送モード、降圧モード、昇圧モードのいずれかのモードで動作する。
インバータ４０が直送モードで動作するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はいずれもオフする。一方、双方向スイッチＢＳ１は双方向に導通可能な状態になる。この場合、交流電源１の電圧Ｖｒが、端子Ｕ−Ｖ間に出力される。したがって、リアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕは、正弦波状である。この電流Ｉｕには、インバータ４０の動作に伴うリプル成分は含まれない。
【００４７】
インバータ４０が降圧モードで動作するとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はいずれもオフしている。一方、双方向スイッチＢＳ１は、制御信号Ｇｓ１，Ｇｓ２にしたがって、オンオフ動作を行う。制御信号Ｇｓ１，Ｇｓ２は、周波数ｆ１のキャリア信号Ｓｃと変調信号λとを用いて、パルス幅変調された信号である。
この場合、端子Ｕ−Ｖ間には、交流電源１の電圧Ｖｒをパルス幅変調した電圧Ｖｕが出力される。したがって、リアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕには、双方向スイッチＢＳ１のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Ｓｃの周波数ｆ１の２倍の周波数である。
【００４８】
インバータ４０が昇圧モードで動作するとき、双方向スイッチＢＳ１は、常に、オン状態にある。一方、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、制御信号Ｇ１，Ｇ２にしたがって、オンオフ動作を行う。この制御信号Ｇ１，Ｇ２は、キャリア信号Ｓｃと変調信号λとを用いて、パルス幅変調された信号である。キャリア信号Ｓｃの周波数は、第１の周波数ｆ１または第２の周波数ｆ２である。
この場合、端子Ｕ−Ｖ間には、交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源３０の電圧をパルス幅変調した電圧とを交互に選択して得られる電圧Ｖｕが出力される。したがって、リアクトルＬｆに流れる電流Ｉｕには、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作に伴って生じるリプル成分が含まれる。このリプル成分の周波数は、キャリア信号Ｓｃの周波数の２倍の周波数である。
【００４９】
ここで、インバータ４０が昇圧モードで動作するとき、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が大きくなるに従い、リアクトルＬｆに流れるリプル電流が大きくなる。一方、キャリア信号Ｓｃの周波数が高くなると、リアクトルＬｆに流れるリプル電流が小さくなる。ただし、キャリア信号Ｓｃの周波数が高くなると、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング損失が増加する。
【００５０】
したがって、リアクトルＬｆのインダクタンス値とキャリア信号Ｓｃの周波数とは、リアクトルＬｆに流れるリプル電流の大きさが所定値となるように設定される。そして、キャリア信号Ｓｃの第１の周波数ｆ１は、出力電圧指令Ｖ＊と交流電源１の電圧Ｖｒとの差が予め定められた第２の設定値に等しいことを条件に設定される。
このときリアクトルＬｆに流れるリプル電流（第１のリプル電流）によってリアクトルＬｆで生じる損失（第１の損失）は、所定値内になるように設定されている。また、リアクトルＬｆに流れる最大電流の値（第１の最大電流値）は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の可制御範囲内になるように設定されている。
【００５１】
次に、キャリア信号Ｓｃの第２の周波数ｆ２は、交流電源１の電圧Ｖｒが０Ｖになっていることを条件に設定される。なお、リアクトルＬｆのインダクタンス値は、上記で設定した値である。
上記条件において、インバータ４０が昇圧モードで動作すると、リアクトルＬｆに流れるリプル電流は、上記第１のリプル電流とほぼ同じ値になる。また、リアクトルＬｆに流れる電流の最大値は、上記第１の最大電流値とほぼ同じになる。
一方、リプル電流の周波数が高くなったことにより、リアクトルＬｆに生じる損失は、上記第１の損失よりも大きくなる。しかし、リアクトルの熱時定数は交流電源１の瞬時電圧低下時間よりも長いため、熱的な問題は生じない。
【００５２】
以上のとおり、本実施形態に係る電力変換装置は、リアクトルＬｆのインダクタンス値の増加を抑制しながら、交流電源１の瞬時電圧低下時においても、リアクトルＬｆに流れるリプル電流を所定値内に抑制することができる。
【００５３】
なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を構成する半導体素子は、炭化ケイ素または窒化ガリウムを材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体素子は、低損失・高周波化が可能であり、また、高温動作が可能であるという特徴を有している。
また、双方向スイッチＢＳ１を構成する半導体素子は、同様に、炭化ケイ素または窒化ガリウムを材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成しても良い。
【００５４】
本発明の適用対象は、上記で説明した実施形態に限られない。例えば、本発明は、図６に示す電力変換装置にも適用することができる。この電力変換装置が図１に示した電力変換装置と異なる点は、インバータ４１が、インバータ４０に対して、さらに双方向スイッチＢＳ２を備えているところである。このインバータ４１は、昇圧モードにおいて、双方向スイッチＢＳ１，ＢＳ２をオフさせることにより、インバータ４０と同様の動作を行う。
このように、図１に示したインバータ回路４０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と双方向スイッチＢＳ１とを備えて交流電源１の電圧Ｖｒと直流電源３０の電圧とを用いて昇圧動作を行う電力変換装置であれば、本発明を適用することができる。
【００５５】
本発明は、瞬時電圧低下補償装置または無停電電源装置など、交流電源の電圧変動および交流電源の停電が発生しても、負荷に安定な電圧を供給するための電力変換装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１    交流電源、２    コンデンサ、３    コンバータ、３０    直流電源、４，４０，４１    インバータ、５    フィルタ、６    負荷、８０，８１    制御部。
【国際調査報告】
2015052743.tif 000010
2015052743.tif 000011
2015052743.tif 000012
2015052743.tif 000013