(57)【要約】【課題】交流電源の電圧変動を抑制しつつ負荷に一定電圧を供給する電力変換装置において、スイッチング素子の耐圧を低減させて責務やコストを低減する。【解決手段】第１〜第３のスイッチング素子直列回路とコンデンサ３０とを並列に接続し、交流電源１及び負荷６の一端同士を接続し、かつコンデンサ３２，３３を並列に接続する。電源１の一端をリアクトル４０を介して第１のスイッチング素子直列回路の直列接続点に接続し、電源１の他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続し、負荷６の他端をリアクトル４１を介して第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続する。電源電圧の変動分を、第２，第３のスイッチング素子直列回路を含む直列コンバータが補償し、この補償動作によるコンデンサ３０の電圧変動分を、第１，第２のスイッチング素子直列回路を含む並列コンバータによる充放電動作により補償する。【選択図】  図１
2004312979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれダイオードが逆並列接続された第１及び第２の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第１のスイッチング素子直列回路と、
それぞれダイオードが逆並列接続された第３及び第４の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第２のスイッチング素子直列回路と、
それぞれダイオードが逆並列接続された第５及び第６の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第３のスイッチング素子直列回路と、
第１のコンデンサと、を並列に接続し、
交流電源の一端と負荷の一端とを接続し、かつ、交流電源に並列に第２のコンデンサを接続すると共に負荷に並列に第３のコンデンサを接続し、
前記交流電源の一端を第１のリアクトルを介して第１のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、交流電源の他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続し、
負荷の他端を第２のリアクトルを介して第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続してなる電力変換装置であって、
交流電源の電圧変動分を、第２のスイッチング素子直列回路及び第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１のコンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路及び第２のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
共通端子と第１及び第２の切替接点とを有する切替スイッチを設け、負荷の他端と第２のリアクトルの一端との接続を切り離して負荷の他端を前記共通端子に接続すると共に、第２のリアクトルの一端を第２の切替接点に接続し、
交流電源の他端と第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点との間に主スイッチを接続すると共に、第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点を第１の切替接点に接続し、
何れかのスイッチング素子直列回路の異常時には、交流電源から前記主スイッチ、前記切替スイッチの第１の切替接点及び共通端子を介して負荷に電圧を供給し、交流電源の異常時には、前記主スイッチをオフし、第１のコンデンサを電源として前記切替スイッチの第２の切替接点及び共通端子を介して負荷に電圧を供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
スイッチング素子直列回路の両端に接続された充放電手段と、この充放電手段に接続されたエネルギー蓄積要素と、を備え、
電源電圧の正常時に前記充放電手段を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、電源電圧の異常時に前記エネルギー蓄積要素の蓄積エネルギーを前記充放電手段を介して第１のコンデンサに供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
交流電源の両端に接続された充電手段と、スイッチング素子直列回路の両端に接続された放電手段と、前記充電手段及び放電手段に接続されたエネルギー蓄積要素と、を備え、
電源電圧の正常時に前記充電手段を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、電源電圧の異常時に前記エネルギー蓄積要素の蓄積エネルギーを前記放電手段を介して第１のコンデンサに供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載した電力変換装置において、
第２のリアクトルに代えてタップ付の第３のリアクトルを備え、
この第３のリアクトルの一端を負荷の他端と第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点とに接続し、第３のリアクトルの他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、
交流電源の他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点から切り離して第３のリアクトルのタップ端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項２〜４の何れか１項に記載した電力変換装置において、
第２のリアクトルに代えてタップ付の第３のリアクトルを備え、
この第３のリアクトルの一端を前記切替スイッチの第２の切替接点と第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点とに接続し、第３のリアクトルの他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、前記主スイッチの一端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点から切り離して第３のリアクトルのタップ端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
それぞれダイオードが逆並列接続された第１及び第２の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第１のスイッチング素子直列回路と、
それぞれダイオードが逆並列接続された第３及び第４の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第２のスイッチング素子直列回路と、
それぞれダイオードが逆並列接続された第５及び第６の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第３のスイッチング素子直列回路と、
第１のコンデンサ及び第４のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、を並列に接続し、
交流電源の一端と負荷の一端とを接続し、かつ、交流電源に並列に第２のコンデンサを接続すると共に負荷に並列に第３のコンデンサを接続し、
前記交流電源の一端を第１のリアクトルを介して第１のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、共通端子と第１及び第２の切替接点とを有する切替スイッチの共通端子を交流電源の他端に、第１の切替接点を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に、第２の切替接点を前記コンデンサ直列回路内部の直列接続点に、それぞれ接続し、
負荷の他端を第２のリアクトルを介して第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続してなる電力変換装置であって、
交流電源電圧が所定値より高いか低いかを電圧判別回路で判別し、高い場合には切替スイッチを第１の切替接点側へ、低い場合には切替スイッチを第２の切替接点側へ、それぞれ切替え、切替スイッチを第１の切替接点側へ切替えた場合には交流電源の電圧変動分を、第２のスイッチング素子直列回路及び第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１のコンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路及び第２のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償し、切替えスイッチを第２の切替接点側へ切替えた場合には交流電源の電圧変動分を、第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１及び第４のコンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
それぞれダイオードが逆並列接続された第１及び第２の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第１のスイッチング素子直列回路と、
それぞれダイオードが逆並列接続された第３及び第４の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第２のスイッチング素子直列回路と、
それぞれダイオードが逆並列接続された第５及び第６の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第３のスイッチング素子直列回路と、
第１のコンデンサ及び第４のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、を並列に接続し、
交流電源の一端と負荷の一端とを接続し、かつ、交流電源に並列に第２のコンデンサを接続すると共に負荷に並列に第３のコンデンサを接続し、
前記交流電源の一端を第１のリアクトルを介して第１のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、交流電源の他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に、交流電源の他端と前記コンデンサ直列回路内部の直列接続点との間にスイッチ手段を、それぞれ接続し、
負荷の他端を第２のリアクトルを介して第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続してなる電力変換装置であって、
交流電源電圧が所定値より高いか低いかを電圧判別回路で判別し、高い場合にはスイッチ手段をオフとし、低い場合にはスイッチ手段をオンとし、スイッチ手段がオフの場合には交流電源の電圧変動分を、第２のスイッチング素子直列回路及び第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１及び第４コンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路及び第２のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償し、スイッチ手段がオンの場合には交流電源の電圧変動分を、第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１及び第４のコンデンサの電圧変動分を第１のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源から負荷に安定した電圧を供給するための主回路構成に特徴を有する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、交流電力を一旦直流電力に変換し、更に交流電力に変換する従来の電力変換装置を示す回路図である。
図１０において、交流電源１の一端にはリアクトル４０を介して半導体スイッチング素子１０，１１の直列回路が接続されており、これらのスイッチング素子１０，１１には、ダイオード１４，１５がそれぞれ逆並列に接続されている。
ＰＷＭ制御されるスイッチング素子１０，１１はダイオード１４，１５と共に整流回路として動作し、直列接続されたコンデンサ３０，３１にエネルギーを蓄積しながら、コンデンサ３０，３１の電圧が所定の直流電圧になるように制御、変換動作を行なう。
【０００３】
また、コンデンサ３０，３１の直列回路には、スイッチング素子１２，１３の直列回路が並列に接続され、これらのスイッチング素子１２，１３には、ダイオード１６，１７がそれぞれ逆並列に接続されている。ここで、スイッチング素子１２，１３をＰＷＭ制御によりインバータとして動作させることで、平滑された直流電圧から安定した任意の交流電圧を発生させ、この交流電圧を負荷６へ供給している。
交流電源１の両端に接続されたコンデンサ３２はフィルタコンデンサで、負荷６の入力側に接続されたリアクトル４１及びコンデンサ３３はＬＣフィルタを構成するものである。
【０００４】
なお、図１０に示した従来技術と同様の回路は、下記の非特許文献１に記載されている。
【０００５】
【非特許文献１】
「パワーエレクトロニクスガイドブック」（雑誌「ＯＨＭ」１９９９年１１月号別冊），株式会社オーム社発行，ｐ８５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示した従来技術は、交流電源を一旦直流に変換した後、再度交流に変換する、いわゆるダブルコンバータ構成の回路となっている。
図１１は、図１０の回路の動作原理を説明するための図である。図１０の回路では、交流電源１側のスイッチング素子１０，１１及びダイオード１４，１５によって構成されるコンバータが整流回路として働くため、この整流回路は、図１１に示すように、負荷６に必要な全エネルギーが通過する並列電流源５とみなすことができる。
【０００７】
また、図１０における負荷６側のスイッチング素子１２，１３及びダイオード１６，１７によって構成されるコンバータはいわゆるインバータとして動作し、負荷６に所定の電圧を供給するため、図１１に示すように、負荷６が必要とする全エネルギーが通過する並列電圧源３とみなすことができる。
ここで、図１０におけるコンデンサ３０，３１は、整流回路の出力側すなわちインバータの入力側に接続され、インバータの電源として作用している。
図１０のようなダブルコンバータ方式の電力変換装置では、交流電源１側及び負荷６側のどちらのコンバータにも負荷６に供給される全てのエネルギーが通過するため、各コンバータが発生する損失は大きなものとなる。このため、変換効率が低下し、ランニングコストが増加するという問題があった。
【０００８】
また、整流回路、インバータともハーフブリッジとして動作するため、交流電源電圧の葯２倍の電圧が素子に印加されるため、適用素子には耐圧の高いものを選定する必要があり、これがコストを上昇させる原因となっていた。
そこで本発明は、従来のダブルコンバータをフルブリッジ化し、交流電源１及び負荷６に対する接続方法を変えることで、負荷６側のコンバータを直列コンバータとして動作させ、交流電源１の電圧が変動した場合にはその電圧変動分だけを直列コンバータが補償し、この補償に必要なエネルギー分のみを交流電源１側の並列コンバータが補償するような、いわゆる直並列変換装置を構成するようにした。
【０００９】
そこで、本発明の解決課題は、高い変換効率でランニングコストを抑制可能な電力変換装置を提供することにある。
また、本発明の他の解決課題は、交流電源の電圧変動を抑制しながら負荷に一定の電圧を供給可能な電力変換装置を提供することにある。
また、本発明の解決課題は、使用するスイッチング素子等の回路素子の耐圧を低減させてコストの減少を可能にした電力変換装置を提供することにある。
また、本発明の解決課題は、交流電源が停電した時には、第１及び第２のスイッチング素子直列回路を動作させることにより、負荷に継続的にエネルギーを供給することができる電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
更に、本発明の解決課題は、回路構成や部品を変更することなく複数の交流電源電圧に対応できる電力変換装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、それぞれダイオードが逆並列接続された第１及び第２の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第１のスイッチング素子直列回路と、それぞれダイオードが逆並列接続された第３及び第４の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第２のスイッチング素子直列回路と、それぞれダイオードが逆並列接続された第５及び第６の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第３のスイッチング素子直列回路と、第１のコンデンサと、を並列に接続し、
交流電源の一端と負荷の一端とを接続し、かつ、交流電源に並列に第２のコンデンサを接続すると共に負荷に並列に第３のコンデンサを接続し、
前記交流電源の一端を第１のリアクトルを介して第１のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、交流電源の他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続し、
負荷の他端を第２のリアクトルを介して第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続してなる電力変換装置であって、
交流電源の電圧変動分を、第２のスイッチング素子直列回路及び第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１のコンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路及び第２のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償するものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、
共通端子と第１及び第２の切替接点とを有する切替スイッチを設け、負荷の他端と第２のリアクトルの一端との接続を切り離して負荷の他端を前記共通端子に接続すると共に、第２のリアクトルの一端を第２の切替接点に接続し、
交流電源の他端と第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点との間に主スイッチを接続すると共に、第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点を第１の切替接点に接続し、
何れかのスイッチング素子直列回路の異常時には、交流電源から前記主スイッチ、前記切替スイッチの第１の切替接点及び共通端子を介して負荷に電圧を供給し、交流電源の異常時には、前記主スイッチをオフし、第１のコンデンサを電源として前記切替スイッチの第２の切替接点及び共通端子を介して負荷に電圧を供給するものである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載した電力変換装置において、スイッチング素子直列回路の両端に接続された充放電手段と、この充放電手段に接続されたエネルギー蓄積要素と、を備え、
電源電圧の正常時に前記充放電手段を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、電源電圧の異常時に前記エネルギー蓄積要素の蓄積エネルギーを前記充放電手段を介して第１のコンデンサに供給するものである。
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載した電力変換装置において、交流電源の両端に接続された充電手段と、スイッチング素子直列回路の両端に接続された放電手段と、前記充電手段及び放電手段に接続されたネルギー蓄積要素と、を備え、
電源電圧の正常時に前記充電手段を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、電源電圧の異常時に前記エネルギー蓄積要素の蓄積エネルギーを前記放電手段を介して第１のコンデンサに供給するものである。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、第２のリアクトルに代えてタップ付の第３のリアクトルを用いるものである。
すなわち、第３のリアクトルの一端を負荷の他端と第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点とに接続し、第３のリアクトルの他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、
交流電源の他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点から切り離して第３のリアクトルのタップ端子に接続したものである。
請求項６記載の発明は、請求項５におけるタップ付の第３のリアクトルを、請求項２〜４の発明に適用したものである。
【００１５】
すなわち、請求項２〜４の何れか１項に記載した電力変換装置において、
第２のリアクトルに代えてタップ付の第３のリアクトルを備え、
この第３のリアクトルの一端を前記切替スイッチの第２の切替接点と第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点とに接続し、第３のリアクトルの他端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、
前記主スイッチの一端を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点から切り離して第３のリアクトルのタップ端子に接続したものである。
請求項７記載の発明は、それぞれダイオードが逆並列接続された第１及び第２の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第１のスイッチング素子直列回路と、それぞれダイオードが逆並列接続された第３及び第４の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第２のスイッチング素子直列回路と、それぞれダイオードが逆並列接続された第５及び第６の半導体スイッチング素子を直列接続してなる第３のスイッチング素子直列回路と、  第１のコンデンサ及び第４のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、を並列に接続し、
交流電源の一端と負荷の一端とを接続し、かつ、交流電源に並列に第２のコンデンサを接続すると共に負荷に並列に第３のコンデンサを接続し、
前記交流電源の一端を第１のリアクトルを介して第１のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続すると共に、共通端子と第１及び第２の切替接点とを有する切替スイッチの共通端子を交流電源の他端に、第１の切替接点を第２のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に、第２の切替接点を前記コンデンサ直列回路内部の直列接続点に、それぞれ接続し、
負荷の他端を第２のリアクトルを介して第３のスイッチング素子直列回路内部の直列接続点に接続してなる電力変換装置であって、
交流電源電圧が所定値より高いか低いかを電圧判別回路で判別し、高い場合には切替スイッチを第１の切替接点側へ、低い場合には切替スイッチを第２の切替接点側へ、それぞれ切替え、切替スイッチを第１の切替接点側へ切替えた場合には交流電源の電圧変動分を、第２のスイッチング素子直列回路及び第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１のコンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路及び第２のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償し、切替えスイッチを第２の切替接点側へ切替えた場合には交流電源の電圧変動分を、第３のスイッチング素子直列回路を有する直列コンバータが補償して負荷への供給電圧を一定に保ち、前記直列コンバータの補償動作による第１及び第４のコンデンサの電圧変動分を、第１のスイッチング素子直列回路を有する並列コンバータによる交流電源との間の充放電動作により補償するものである。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、スイッチの挿入方法を変更したもので、機能・動作的には同じである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す回路図であり、請求項１の発明に相当する。
図１において、第１，第２のダイオード１４，１５が逆並列接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の第１，第２の半導体スイッチング素子１０，１１の直列回路（第１のスイッチング素子直列回路という）と、第３，第４のダイオード２０，２１が逆並列接続された第３，第４の半導体スイッチング素子１８，１９の直列回路（第２のスイッチング素子直列回路という）と、第５，第６のダイオード１６，１７が逆並列接続された第５，第６の半導体スイッチング素子１２，１３の直列回路（第３のスイッチング素子直列回路という）と、第１のコンデンサ（電解コンデンサ）３０とが、それぞれ並列に接続されている。
【００１８】
また、交流電源１には第２のコンデンサ３２が並列に接続され、負荷６には第３のコンデンサ３３が並列に接続されている。
そして、交流電源１の一端は負荷６の一端に接続され、交流電源１の他端は第３，第４のスイッチング素子１８，１９の直列接続点に接続されている。また、交流電源１の他端は第１のリアクトル４０を介して第１，第２のスイッチング素子１０，１１の直列接続点に接続され、負荷６の他端は第２のリアクトル４１を介してスイッチング素子１２，１３の直列接続点に接続されている。
上記回路構成において、コンデンサ３０をスイッチング素子１８，１９，１２，１３及びダイオード２０，２１，１６，１７で構成されるコンバータの電源と考えたとき、このコンバータは交流電源１と負荷６との間に直列に接続されている。以下、これを直列コンバータと呼ぶ。
【００１９】
また、コンデンサ３０が出力側に接続されているスイッチング素子１０，１１，１８，１９及びダイオード１４，１５，２０，２１は、交流電源１に対して並列に接続されている。以下、これを並列コンバータと呼ぶ。
次に、図２は図１の実施形態の動作原理を説明するための図である。
図２における並列補償電流源４は前記並列コンバータを、直列補償電圧源２は前記直列コンバータを表している。このとき、直列補償電圧源２が任意の電圧を発生することで、負荷６には交流電源１（交流電圧源）と直列補償電圧源２の２つの電圧源による電圧が加算されて印加されることになる。その結果、交流電源１の電圧が変動して仮にその電圧が低下した場合でも、直列補償電圧源２による可変電圧を加算して負荷６に印加することで電源電圧の変動を補償し、負荷６に一定の電圧を供給することができる。
【００２０】
図３を用いて、図１における直列コンバータ及び並列コンバータの動作について更に説明を加える。
図３は、図１の第１〜第３のスイッチング素子直列回路におけるＮ点の電位を基準とした場合の、各スイッチング素子の直列アームの出力電圧波形の指令値を示している。
まず、交流電源１の電圧が所望の出力電圧より高いため、降圧動作を行って負荷６に一定の電圧を供給する場合について、図３（ａ）を参照しつつ説明する。この場合、スイッチング素子１８，１９を電源電圧に同期させてスイッチングすることにより、その直列アームの出力電圧は指令値▲２▼のような矩形波となる。
【００２１】
このとき、負荷６への供給電圧を低下させるために、直列コンバータを構成するスイッチング素子１２，１３のスイッチングにより、その直列アームの出力電圧波形が指令値▲３▼になるように制御する。この結果、スイッチング素子１８，１９の直列接続点とスイッチング素子１２，１３の直列接続点との間には、図３（ａ）における▲２▼−▲３▼に相当する正弦波指令値相当の電圧（電源電圧に対し逆相で振幅の小さい正弦波電圧）が出力される。
この正弦波電圧は、図２における直列補償電圧源２（直列コンバータ）の出力電圧に相当し、この電圧が交流電源１による電源電圧に重畳されるので、降圧動作が実現され、負荷６には電源電圧より低い電圧が印加される。
【００２２】
同時に、図３（ａ）の指令値▲１▼に示すように、スイッチング素子１０，１１は並列コンバータとして入力電圧相当の対向電圧を発生させながら、前記降圧動作によって変動するコンデンサ３０の電圧（図１におけるＶｄｃ）を一定に保つように、交流電源１との間で充放電動作させる。この結果、並列コンバータは、直列コンバータに対して補償分のエネルギーをやり取りする。
また、電源電圧が所望の出力電圧より低いため、昇圧動作を行って負荷６に一定の電圧を供給する場合には、スイッチング素子１２，１３を電源電圧に同期させてスイッチングすることにより、その直列アームの出力電圧波形は図３（ｂ）の指令値▲３▼に示す矩形波となる。
【００２３】
そして、スイッチング素子１８，１９による直列アームの出力電圧波形が図３（ｂ）の指令値▲２▼になるように制御することにより、スイッチング素子１８，１９の直列接続点とスイッチング素子１２，１３の直列接続点との間に、図３（ｂ）における▲２▼−▲３▼に相当する正弦波指令値相当の電圧（電源電圧と同相で振幅の小さい正弦波電圧）を出力させる。
この正弦波電圧も、図２における直列補償電圧源２（直列コンバータ）の出力電圧に相当するものであり、この電圧が交流電源１による電源電圧に重畳されるので、昇圧動作が実現され、負荷６には電源電圧より高い電圧が印加される。
【００２４】
同時に、図３（ｂ）の指令値▲１▼に示すように、スイッチング素子１０，１１は並列コンバータとして出力電圧相当の対向電圧を発生させながら、上記直列コンバータの昇圧動作により変動するコンデンサ３０の電圧を一定に保つように、交流電源１との間で充放電動作させる。その結果、並列コンバータは、直列コンバータに対して補償分のエネルギーをやり取りする。
従って、降圧動作、昇圧動作の何れの場合でも、負荷６に供給されるエネルギーは直列コンバータのみを通過し、並列コンバータにはコンデンサ３０の電圧補償に用いたエネルギーだけが通過するので、従来のダブルコンバータ方式に比べて並列コンバータの損失を低減することができ、高効率化を達成することができる。
【００２５】
また、並列コンバータ及び直列コンバータが何れもフルブリッジ構成となるため、従来のハーフブリッジ構成と比べてスイッチング素子等の耐圧を低く選定することができ、素子の低コスト化が可能になる。
次に、図４は本発明の第２実施形態を示す回路図であり、請求項２の発明に相当する。
図１との相違点は、交流電源１側に主スイッチ５４を追加し、負荷６側に切替スイッチ５０を追加したことにある。
すなわち、交流電源１の一端とスイッチング素子１８，１９の直列接続点との間には主スイッチ５４が接続されている。また、共通端子５１と第１，第２の切替接点５２，５３とを有する切替スイッチ５０を設け、負荷６の一端が共通端子５１に接続されると共に、第１の切替接点５２がスイッチング素子１８，１９の直列接続点に接続され、第２の切替接点５３がリアクトル４１とコンデンサ３３との接続点に接続されている。
【００２６】
このような回路構成において、平常時には主スイッチ５４がオンしており、切替スイッチ５０の共通端子５１は第２の切替接点５３側に接続されている。この場合、回路構成は実質的に図１と同一であり、図１と同様に並列コンバータ及び直列コンバータの動作によって安定した交流電圧が負荷６に供給される。
いま、スイッチング素子やダイオード等の回路素子が故障した場合を考える。
この場合には、主スイッチ５４をオンのままにして切替スイッチ５０を第１の切替接点５２側に接続する。これにより、交流電源１から主スイッチ５４及び切替スイッチ５０を介して交流電力が負荷６に供給される。
【００２７】
また、交流電源１の電圧が補償範囲を超えた場合には、主スイッチ５４をオフし、切替スイッチ５０を第２の切替接点５３側に接続することにより、コンデンサ３０の直流電圧をスイッチング素子１０，１１，１２，１３により交流電圧に変換して負荷６に供給することができる。
なお、主スイッチ５４や切替スイッチ５０を切り替えるための条件は、コンデンサ３０の電圧Ｖｄｃや電源電圧を検出して判断可能である。
交流電源１の電圧が補償範囲を超えた場合の直並列変換装置における補償時間は５分程度と短いため、スイッチング素子及び冷却体は小型のもので済み、低コストとなる。
【００２８】
図５は、本発明の第３実施形態を示す回路図であり、請求項３の発明に相当する。
この実施形態は、第１〜第３のスイッチング素子直列回路におけるＰ点とＮ点との間に、充放電手段６１を介して並列にエネルギー蓄積要素６０を接続したものである。
なお、図５は図４の構成に充放電手段６１及びエネルギー蓄積要素６０を付加した形で示してあるが、図１の構成にこれらを付加しても良い。
ここで、充放電手段６１は半導体スイッチ及びリアクトル等の磁気部品で構成されており、エネルギー蓄積要素６０としてはバッテリなどの二次電池やフライホイール等を使用することができる。
【００２９】
図５において、交流電源１の正常時には、主スイッチ５４及び切替スイッチ５０が図示の状態にあり、前述した図１と同様の直列コンバータ及び並列コンバータの動作により、安定した交流電圧が負荷６に供給されている。
一方、充放電手段６１の充電動作により、交流電源１からエネルギー蓄積要素６０にエネルギーが蓄積されている。
交流電源１の異常時、例えば停電により負荷６に十分な電力を供給できなくなった場合には、エネルギー蓄積要素６０の蓄積エネルギーを充放電手段６１を介して放電させ、コンデンサ３０を充電する。この場合、交流電源１の異常検出方法及び充放電手段６１の制御方法は周知であるため、詳述を省略する。また、このとき、主スイッチ５４はオフし、切替スイッチ５０は図示の状態を保っておく。
【００３０】
上記動作により、交流電源１の異常時にはコンデンサ３０を電源とするスイッチング素子１０，１１，１２，１３の動作により、切替スイッチ５０を介して負荷６への給電を継続することができる。
なお、図５において、スイッチング素子等の回路素子の故障時や電源電圧の異常低下時には、図４の場合と同様の動作となる。
図６は、本発明の第４実施形態を示す回路図であり、請求項４の発明に相当する。
この実施形態は、図５の充放電手段６１を分割して交流電源１の両端に充電手段６２を接続すると共に、Ｐ点とＮ点との間に放電手段６３を接続し、これらの充電手段６２、放電手段６３に並列にエネルギー蓄積要素６０を接続したものである。なお、充電手段６２、放電手段６３、エネルギー蓄積要素６０は、図１の構成に付加しても良い。
【００３１】
この実施形態の動作は、交流電源１の正常時に充電手段６２によりエネルギー蓄積要素６０にエネルギーを蓄積しておき、交流電源１の異常時、例えば停電時には、放電手段６３を用いてエネルギー蓄積要素６０のエネルギーをコンデンサ３０に供給する。このコンデンサ３０を電源として、直列コンバータ及び並列コンバータを動作させながら負荷６に所望の電圧を継続的に供給する。
充電手段６２及び放電手段６３は半導体スイッチや磁気部品の組合せにより構成され、エネルギー蓄積要素６０には図５の実施形態と同様のものを使用可能である。
【００３２】
図７は本発明の第５実施形態を示す回路図であり、請求項５の発明に相当する。
例えば図１に示した回路構成において、第２のリアクトル４１をタップ付きリアクトル（第３のリアクトル）４２に変更し、このリアクトル４２の負荷６側の一端をスイッチング素子１２，１３の直列接続点に接続すると共に、リアクトル４２の他端をスイッチング素子１８，１９の直列接続点に接続し、交流電源１の負荷６と接続されていない側の一端をリアクトル４２のタップ端子に接続したものである。
【００３３】
このような回路構成によれば、コンデンサ３０及びスイッチング素子１８，１９，１２，１３等により構成される直列コンバータの通過電流を低減できるため、スイッチング損失が低減され、並列コンバータにおける損失低減と相まって一層の効率改善が可能になる。
なお、並列コンバータの動作は変わらないので説明を省略する。
ここで、図７におけるタップ付きリアクトル４２は、図４〜図６における第２のリアクトル４１に代えて用いることもでき、これらの発明が請求項６に相当する。
【００３４】
例えば、図４におけるリアクトル４１を除去し、タップ付きリアクトル４２の一端を切替スイッチ５０の第２の切替接点５３とスイッチング素子１２，１３の直列接続点とに接続すると共に、タップ付きリアクトル４２の他端をスイッチング素子１８，１９の直列接続点に接続し、主スイッチ５４の一端をスイッチング素子１８，１９の直列接続点から切り離してタップ付きリアクトル４２のタップ端子に接続すればよい。
更に、上記の構成に図５の充放電手段６１及びエネルギー蓄積要素６０、図６の充電手段６２，放電手段６３及びエネルギー蓄積要素６０を付加しても良い。
【００３５】
図８は本発明の第６の実施形態を示す回路図で、請求項７の発明に相当する。図８において、第１，第２のダイオード１４，１５が逆並列接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の第１，第２の半導体スイッチング素子１０，１１の直列回路（第１のスイッチング素子直列回路という）と、第３，第４のダイオード２０，２１が逆並列接続された第３，第４の半導体スイッチング素子１８，１９の直列回路（第２のスイッチング素子直列回路という）と、第５，第６のダイオード１６，１７が逆並列接続された第５，第６の半導体スイッチング素子１２，１３の直列回路（第３のスイッチング素子直列回路という）と、第１のコンデンサ（電解コンデンサ）３０と第４のコンデンサ（電解コンデンサ）３１の直列回路（コンデンサ直列回路という）が、それぞれ並列に接続されている。
【００３６】
また、交流電源１には第２のコンデンサ３２が並列に接続され、負荷６には第３のコンデンサ３３が並列に接続されている。
そして、交流電源１の一端は負荷６の一端に接続され、さらに交流電源の一端は第１のリアクトル４０を介して第１、第２のスイッチング素子１０、１１の直列接続点に接続され、交流電源１の他端は共通端子９１と第１及び第２の切替接点（９２，９３）とを有する切替スイッチ９０の共通端子９１が、第１の切替接点９３は第３、第４のスイッチング素子１８、１９の直列接続点に、第２の切替接点９２をコンデンサ３０、３１の直列接続点に、それぞれ接続し、交流電源１にはこの電圧が所定値より大きいか小さいかを判定するための電圧判別回路７０が接続されている。
【００３７】
上記回路構成において、電圧判定回路７０が交流電源１の電圧が所定値より高いと判定した場合には、切替スイッチ９０を第１の切替接点９３側に切替えると、回路構成はコンデンサがコンデンサ３０、３１の直列回路となっていることを除けば図１と同じであり、回路動作も同じになる。また、電圧判定回路７０が交流電源１の電圧が所定値より低いと判定した場合には、切替スイッチ９０を第２の切替接点９２側に切替え、スイッチング素子１８と１９をオフ状態に維持すれば、回路構成は従来回路図１０と同様とみなせる。即ち、切替スイッチ９０を切替えることにより、
【発明が解決しようとする課題】で説明した回路方式で、ハーフブリッジとフルブリッジを切替えることになる。
【００３８】
ここで、例えば電圧判定回路１で交流電源電圧が１００Ｖか２００Ｖかを判定すれば、１００Ｖの時にはハーフブリッジの回路、２００Ｖの時にはフルブリッジの回路を選んだことになり、スイッチング素子に印加される電圧はいずれの場合も同じレベルとなり、回路別に素子耐圧を変更する必要はない。
図９は、第７の実施形態を示す回路図で、請求項８の発明に相当する。
図８との違いは、切替スイッチが、図８では第１の切替接点と第２の切替接点との二つを備えたものであるのに対して、図９では一つの接点しか備えていない点と、これに伴う回路構成が違うことである。図９の場合、電圧判定回路７０が交流電源１の電圧が所定値より高いと判断した場合には、切替スイッチ１００をオフにすれば、回路構成はコンデンサがコンデンサ３０、３１の直列回路となっていることを除けば図１と同じであり、回路動作も同じになる。また、電圧判定回路７０が交流電源１の電圧が所定値より低いと判定した場合には、切替スイッチ１００をオンとし、スイッチング素子１８と１９をオフ状態に維持すれば、回路構成は従来回路図１０と同様とみなせる。即ち、切替スイッチ１００をオンまたはオフにすることにより、
【発明が解決しようとする課題】で説明した回路方式で、ハーフブリッジとフルブリッジを切替えることになる。
ここで、例えば電圧判定回路７０で交流電源電圧が１００Ｖか２００Ｖかを判定すれば、１００Ｖの時にはハーフブリッジの回路、２００Ｖの時にはフルブリッジの回路を選んだことになり、スイッチング素子に印加される電圧はいずれの場合も同じレベルとなり、回路別に素子耐圧を変更する必要はない。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、直列コンバータ及び並列コンバータの動作により、交流電源の電圧変動を抑制しながら負荷に一定の電圧を供給することができ、その際に並列コンバータにおける損失を低減して従来よりも変換効率を高め、ランニングコストを低く抑えることができる。
また、コンバータをフルブリッジ構成とすることによってスイッチング素子等の耐圧を低下させ、素子の責務を軽減すると共にコストの低減も可能である。
また、従来のハーフブリッジ構成のコンバータに比べて電解コンデンサのリプル電流を抑制し、その長寿命化を図ることもできる。
更に、切替スイッチを付加することにより、１００Ｖ系と２００Ｖ系の交流入力電圧への対応が、素子耐圧を変更することなく同一の構成で可能となる。従って、信頼性が高く、量産効果の高い電源システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の実施形態の動作原理を説明するための原理図である。
【図３】図１の実施形態の動作を示す指令値の波形図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図６】本発明の第４実施形態を示す回路図である。
【図７】本発明の第５実施形態を示す回路図である。
【図８】本発明の第６の実施形態を示す回路図である
【図９】本発明の第７の実施形態を示す回路図である。
【図１０】従来技術を示す回路図である。
【図１１】従来技術の動作原理を説明するための原理図である。
【符号の説明】
１  交流電源
２  直列補償電圧源
４  並列補償電流源
６  負荷
１０，１１，１２，１３，１８，１９  半導体スイッチング素子
１４，１５，１６，１７，２０，２１  ダイオード
３０，３２，３３  コンデンサ
４０，４１  リアクトル
４２  タップ付きリアクトル
５０  切替スイッチ
５１  共通端子
５２，５３  切替接点
５４  主スイッチ
６０  エネルギー蓄積要素
６１  充放電手段
６２  充電手段
６３  放電手段
７０  電圧判別回路
９０、１００  切替スイッチ
９１  共通接点
９２、９３  切替接点
【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】
2004312979.tif 000009
【図８】
2004312979.tif 000010
【図９】
2004312979.tif 000011
【図１０】
2004312979.tif 000012
【図１１】
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