(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子から第２の端子に流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチと第２の端子から第１の端子へ流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチとを組み合わせてなる双方向スイッチを少なくとも３個用いて、三相交流電圧をその大きさ及び周波数が異なる多相交流電圧に直接変換する直接形電力変換器の制御方法であって、
制御装置内部で大小関係が決定された三相交流電圧のうち最大電圧相と一の出力相との間に接続された第１の双方向スイッチと、中間電圧相と前記出力相との間に接続された第２の双方向スイッチと、のオンオフを切り替えて転流させる際に、
第１の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記最大電圧相に電流を流す単方向スイッチと、第２の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記中間電圧相に電流を流す単方向スイッチと、をオンし、かつ、
三相交流電圧のうち最小電圧相と前記出力相との間に接続された第３の双方向スイッチ内の、前記最小電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチをオンする状態を介して、
第１，第２の双方向スイッチのオンオフを切り替えるようにした直接形電力変換器の制御方法において、
第３の双方向スイッチ内の、前記最小電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチを、第１，第２の双方向スイッチの間で転流が行われる期間だけオンし、当該期間以外の期間はオフすることを特徴とする直接形電力変換器の制御方法。
【請求項２】
第１の端子から第２の端子に流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチと第２の端子から第１の端子へ流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチとを組み合わせてなる双方向スイッチを少なくとも３個用いて、三相交流電圧をその大きさ及び周波数が異なる多相交流電圧に直接変換する直接形電力変換器の制御方法であって、
制御装置内部で大小関係が決定された三相交流電圧のうち中間電圧相と一の出力相との間に接続された第２の双方向スイッチと、最小電圧相と前記出力相との間に接続された第３の双方向スイッチと、のオンオフを切り替えて転流させる際に、
第２の双方向スイッチ内の、前記中間電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチと、第３の双方向スイッチ内の、前記最小電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチと、をオンし、かつ、
三相交流電圧のうち最大電圧相と前記出力相との間に接続された第１の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記最大電圧相に電流を流す単方向スイッチをオンする状態を介して、
第２，第３の双方向スイッチのオンオフを切り替えるようにした直接形電力変換器の制御方法において、
第１の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記最大電圧相に電流を流す単方向スイッチを、第２，第３の双方向スイッチの間で転流が行われる期間だけオンし、当該期間以外の期間はオフすることを特徴とする直接形電力変換器の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載した制御方法において、
前記最大電圧相の電圧と前記中間電圧相の電圧との差が所定値以下である場合に第１，第２の双方向スイッチのオンオフを切り替えて転流させることを特徴とする直接形電力変換器の制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載した制御方法において、
前記中間電圧相の電圧と前記最小電圧相の電圧との差が所定値以下である場合に第２，第３の双方向スイッチのオンオフを切り替えて転流させることを特徴とする直接形電力変換器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向に流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチを複数組み合わせてなる双方向スイッチを少なくとも３個用いて、三相交流電圧をその大きさ及び周波数が異なる多相交流電圧に直接変換する直接形電力変換器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、この種の直接形電力変換器の代表例として、半導体単方向スイッチ（図では、逆阻止能力をもつ逆阻止ＩＧＢＴ）を２個組み合わせてなる双方向スイッチを９個用いて構成されたマトリクスコンバータを、周辺回路と共に示した図である。
図７において、２０は三相交流電源、３０はフィルタ、４０は三相負荷、Ｒ，Ｓ，Ｔは入力端子（入力相）、Ｕ，Ｖ，Ｗは出力端子（出力相）であり、マトリクスコンバータ１０は、フィルタ３０の出力側の三相各相と前記出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間にそれぞれ接続された双方向スイッチＳ１〜Ｓ９により構成されている。
【０００３】
マトリクスコンバータ１０は、双方向スイッチＳ１〜Ｓ９のオンオフを繰り返すことにより、電源２０側の三相交流電圧を任意の大きさ、周波数の三相交流電圧に変換することが可能であるが、その動作については周知であるため、ここでは説明を省略する。
【０００４】
ところで、図８に示すように、入力側の最大電圧相（以下、最大相ともいう）、中間電圧相（以下、中間相ともいう）、最小電圧相（以下、最小相ともいう）と、出力側のＵ相との間に接続された３つの双方向スイッチＳ１〜Ｓ３を１単位とした場合、通流している双方向スイッチを例えば双方向スイッチＳ１からＳ２へ切り替える際には（以下、このような動作を転流と呼ぶ）、各双方向スイッチＳ１，Ｓ２を構成する単方向スイッチＳ１１〜Ｓ２２のオンオフタイミングを適切に調整し、電源短絡及び負荷端開放が生じないようにして双方向スイッチＳ１，Ｓ２の破壊を防止している。
【０００５】
このような技術は、下記の非特許文献１に記載されており、双方向スイッチＳ１から双方向スイッチＳ２に転流する場合であってＲ相の電圧がＳ相の電圧よりも大きい場合（図８のようにＲ相が最大相、Ｓ相が中間相である場合）には、図９に示すような転流シーケンスに従って単方向スイッチＳ１１〜Ｓ２２のオンオフタイミングを調整している。この間、最小相に接続された双方向スイッチＳ３を構成する単方向スイッチＳ３１，Ｓ３２は、オフ状態を維持している。
【０００６】
図１０は、図９の各期間ａ〜ｅにおける動作説明図であり、オン状態の単方向スイッチを太字で表してある。
すなわち、期間ａでは単方向スイッチＳ１１，Ｓ１２をオン、期間ｂではＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１をオン、期間ｃではＳ１２，Ｓ２１をオン、期間ｄではＳ１２，Ｓ２１，Ｓ２２をオン、期間ｅではＳ２１，Ｓ２２をオンさせるシーケンスにより、双方向スイッチＳ１から双方向スイッチＳ２への転流時における電源短絡及び負荷端開放を防止している。
なお、他の双方向スイッチ間の転流時や電圧の大小関係が異なる場合についても、基本的には同様な動作となる。
【０００７】
【非特許文献１】小山純，樋口剛，川崎雅史，山田英二，古賀高志，T.A.Lipo、「ＳＩＴｈを用いたＰＷＭサイクロコンバータの点弧シーケンス」、平成２年電気学会全国大会論文集No.516、ｐｐ．５−７６〜５−７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
さて、先に説明した転流シーケンスにおいて、仮に実際のＲ相電圧がＳ相電圧より小さいにも関わらず、制御装置がＲ相電圧＞Ｓ相電圧と誤検出してその大小関係を決定し、図９，図１０に示すようなシーケンスで転流動作を行った場合、図９，図１０の期間ｂ〜ｄにおいて、単方向スイッチＳ２１，Ｓ１２を介して電源を短絡することとなり、Ｓ相からＲ相の向きに短絡電流が流れる（以下、このような状態を転流失敗と呼ぶ）。
このことから分かるように、電源の各相電圧の大小関係を正確に検出することは重要であるが、特に電源の２相の電圧値がほぼ等しい場合においては、検出誤差等によって電圧の大小関係を正確に決定することが非常に困難であり、その結果、転流失敗を招き、短絡電流が流れる場合があった。
このため従来では、短絡電流が半導体スイッチに及ぼす影響を軽減させるため、半導体スイッチの電流定格を必要以上に大きくする必要があり、これが装置全体の大形化や高価格化を招いていた。
【０００９】
そこで本発明の解決課題は、半導体スイッチの電流定格を大きくするといった方法によらずに確実な転流を可能にした直接形電力変換器の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、第１の端子から第２の端子に流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチと第２の端子から第１の端子へ流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチとを組み合わせてなる双方向スイッチを少なくとも３個用いて、三相交流電圧をその大きさ及び周波数が異なる多相交流電圧に直接変換する直接形電力変換器の制御方法であって、
制御装置内部で大小関係が決定された三相交流電圧のうち最大電圧相と一の出力相との間に接続された第１の双方向スイッチと、中間電圧相と前記出力相との間に接続された第２の双方向スイッチと、のオンオフを切り替えて転流させる際に、
第１の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記最大電圧相に電流を流す単方向スイッチと、第２の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記中間電圧相に電流を流す単方向スイッチと、をオンし、かつ、
三相交流電圧のうち最小電圧相と前記出力相との間に接続された第３の双方向スイッチ内の、前記最小電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチをオンする状態を介して、
第１，第２の双方向スイッチのオンオフを切り替えるようにした直接形電力変換器の制御方法において、
第３の双方向スイッチ内の、前記最小電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチを、第１，第２の双方向スイッチの間で転流が行われる期間だけオンし、当該期間以外の期間はオフするものである。
【００１１】
請求項２に記載した発明は、第１の端子から第２の端子に流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチと第２の端子から第１の端子へ流れる電流を制御可能な半導体単方向スイッチとを組み合わせてなる双方向スイッチを少なくとも３個用いて、三相交流電圧をその大きさ及び周波数が異なる多相交流電圧に直接変換する直接形電力変換器の制御方法であって、
制御装置内部で大小関係が決定された三相交流電圧のうち中間電圧相と一の出力相との間に接続された第２の双方向スイッチと、最小電圧相と前記出力相との間に接続された第３の双方向スイッチと、のオンオフを切り替えて転流させる際に、
第２の双方向スイッチ内の、前記中間電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチと、第３の双方向スイッチ内の、前記最小電圧相から前記出力相に電流を流す単方向スイッチと、をオンし、かつ、
三相交流電圧のうち最大電圧相と前記出力相との間に接続された第１の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記最大電圧相に電流を流す単方向スイッチをオンする状態を介して、
第２，第３の双方向スイッチのオンオフを切り替えるようにした直接形電力変換器の制御方法において、
第１の双方向スイッチ内の、前記出力相から前記最大電圧相に電流を流す単方向スイッチを、第２，第３の双方向スイッチの間で転流が行われる期間だけオンし、当該期間以外の期間はオフするものである。
【００１２】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した制御方法において、最大電圧相の電圧と中間電圧相の電圧との差が所定値以下である場合に第１，第２の双方向スイッチのオンオフを切り替えて転流させるものである。
【００１３】
請求項４に記載した発明は、請求項２に記載した制御方法において、中間電圧相の電圧と最小電圧相の電圧との差が所定値以下である場合に第２，第３の双方向スイッチのオンオフを切り替えて転流させるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、転流に関与する二つの双方向スイッチ以外の双方向スイッチを構成する所定の単方向スイッチを転流期間中にオンさせることにより、電源の各相電圧の大小関係の誤判別による転流失敗を防止することができる。これにより、半導体スイッチの電流定格を必要以上に大きくする必要がなくなり、装置の小形化、低価格化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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実施形態に係る転流シーケンスであり、請求項１に係る発明に相当する。すなわち、図７に示したようなマトリクスコンバータ１０の制御装置が、２相の電源電圧（例えばＲ相電圧ＶＲ及びＳ相電圧ＶＳ）の大小関係として、２相の電圧の大きさが等しい場合を含めてＲ相電圧ＶＲが最大、Ｓ相電圧ＶＳが中間である（各相電圧波形を示す図５における期間Ａに相当する）と判断し、Ｒ相と出力側のＵ相との間に接続された双方向スイッチ（図７，図８におけるＳ１）から、Ｓ相とＵ相との間に接続された双方向スイッチ（同じくＳ２）へ転流する場合の転流シーケンスである。
【００１６】
また、図２は、図１の各期間ａ〜ｇにおける動作説明図であり、図１０と同様にオン状態の単方向スイッチを太字で表してある。
つまり、期間ａでは単方向スイッチＳ１１，Ｓ１２をオン、期間ｂではＳ１１，Ｓ１２，Ｓ３２をオン、期間ｃではＳ１２，Ｓ３２をオン、期間ｄではＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２をオン、期間ｅではＳ２２，Ｓ３２をオン、期間ｆではＳ２１，Ｓ２２，Ｓ３２をオン、期間ｇではＳ２１，Ｓ２２をオンさせるシーケンスにより、双方向スイッチＳ１から双方向スイッチＳ２へ転流時する場合の電源短絡及び負荷端開放を防止している。
【００１７】
図１，図２から明らかなように、従来技術である図９，図１０と大きく異なる点は、双方向スイッチＳ１から双方向スイッチＳ２への転流にも関わらず、転流に関与しない双方向スイッチＳ３の単方向スイッチＳ３２を一時的にオンさせる点である。
【００１８】
以下、上記転流シーケンスについて詳述する。
図５の期間Ａにおいて、制御装置内部では、各相電圧の検出値から、Ｒ相電圧ＶＲがＳ相電圧ＶＳよりも大きいと判断して大小関係を決定した上で転流を実行する。
この場合、本実施形態では、図１，図２の転流期間における期間ｄのように、出力側のＵ相から電源側のＲ相へ電流を流す単方向スイッチＳ１２（Ｕ相から制御装置内部で決定された最大相に電流を流す単方向スイッチ）をオンし、Ｕ相から電源側のＳ相へ電流を流す単方向スイッチＳ２２（Ｕ相から制御装置内部で決定された中間相に電流を流す単方向スイッチ）をオンし、電源側のＴ相からＵ相へ電流を流す単方向スイッチＳ３２（制御装置内部で決定された最小相からＵ相に電流を流す単方向スイッチ）をオンする状態を設けている。
【００１９】
転流期間中にこのような状態を設けることにより、図５の時刻II付近のようにＲ相電圧ＶＲとＳ相電圧ＶＳとの大きさがほぼ等しく、制御装置内部が決定した大小関係（ＶＲ＞ＶＳ）に対して実際の大小関係（ＶＲ＜ＶＳ）が異なるような場合であっても、転流失敗を防止することができる。
例えば、図２の期間ｄにおいて、Ｓ相電圧ＶＳがＲ相電圧ＶＲより大きいとしても、Ｓ相からＲ相またはＴ相への短絡経路は存在しないと共に、負荷電流の通流経路は負荷電流の極性に関わらずオン状態の単方向スイッチＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２によって確保されるため、電源電圧の大小関係に関わらず、短絡経路の生成や負荷端の開放を防止することができる。
【００２０】
なお、図１，図２では、期間ｄを中心として前後の期間ｂ，ｃ，ｅ，ｆについても単方向スイッチＳ３２をオンさせており、これらの期間についても同様の作用によって電源短絡及び負荷端開放を防止することが可能である。
【００２１】
次に、図３は本発明の第２実施形態に係る転流シーケンスであり、請求項２に係る発明に相当する。
この実施形態は、制御装置が、例えばＳ相電圧ＶＳ及びＴ相電圧ＶＴの大小関係として、２相の電圧の大きさが等しい場合を含めてＳ相電圧ＶＳが中間、Ｔ相電圧ＶＴが最小である（図５における期間Ａに相当する）と判断し、Ｓ相とＵ相との間に接続された双方向スイッチＳ２から、Ｔ相とＵ相との間に接続された双方向スイッチＳ３へ転流する場合の転流シーケンスである。
【００２２】
図４は、図３の各期間ａ〜ｇの動作説明図であり、前記同様にオン状態の単方向スイッチを太字で表してある。
この実施形態において、期間ａでは単方向スイッチＳ２１，Ｓ２２をオン、期間ｂではＳ１２，Ｓ２１，Ｓ２２をオン、期間ｃではＳ１２，Ｓ２１をオン、期間ｄではＳ１２，Ｓ２１，Ｓ３２をオン、期間ｅではＳ１２，Ｓ３２をオン、期間ｆではＳ１２，Ｓ３１，Ｓ３２をオン、期間ｇではＳ３１，Ｓ３２をオンさせるシーケンスにより、双方向スイッチＳ２から双方向スイッチＳ３への転流時における電源短絡及び負荷端開放を防止している。
このシーケンスが図９，図１０と大きく異なる点は、双方向スイッチＳ２から双方向スイッチＳ３への転流にも関わらず、転流に関与しない双方向スイッチＳ１を構成する単方向スイッチＳ１２を一時的にオンさせる点である。
【００２３】
以下、上記転流シーケンスについて詳述する。
図５の期間Ａにおいて、制御装置内部では、Ｓ相電圧ＶＳがＴ相電圧ＶＴよりも大きいと判断して転流を実行する。
本実施形態では、図３，図４の転流期間における期間ｄのように、Ｕ相からＲ相へ電流を流す単方向スイッチＳ１２（Ｕ相から制御装置内部で決定された最大相に電流を流す単方向スイッチ）をオンし、Ｓ相からＵ相へ電流を流す単方向スイッチＳ２１（制御装置内部で決定された中間相からＵ相に電流を流す単方向スイッチ）をオンし、Ｔ相からＵ相へ電流を流す単方向スイッチＳ３２（制御装置内部で決定された最小相からＵ相に電流を流す単方向スイッチ）をオンする状態を設けている。
【００２４】
転流期間中に上記の状態を設けることにより、図５の時刻Ｉ付近のようにＳ相電圧ＶＳとＴ相電圧ＶＴとの大きさがほぼ等しく、制御装置内部で決定された大小関係（ＶＳ＞ＶＴ）に対して実際の大小関係（ＶＳ＜ＶＴ）が異なるような場合であっても、転流失敗を防止することができる。
つまり、図４の期間ｄにおいて、Ｓ相電圧ＶＳがＴ相電圧ＶＴより小さいとしても、Ｔ相からＳ相、またはＲ相からＳ相への短絡経路は存在しないと共に、負荷電流の通流経路は負荷電流の極性に関わらずオン状態の単方向スイッチＳ１２，Ｓ２１，Ｓ３２によって確保されるため、電源電圧の大小関係に関係なく短絡経路の生成や負荷端の開放を防止することができる。
【００２５】
なお、第１実施形態と同様に、図３，図４に示す如く期間ｄを中心として前後の期間ｂ，ｃ，ｅ，ｆについても単方向スイッチＳ１２をオンさせているが、これらの期間についても同様の作用によって電源短絡及び負荷端開放を防止することが可能である。
【００２６】
次に、請求項３，４に相当する本発明の第３，第４実施形態を説明する。
前記第１実施形態の転流シーケンスでは、図５の期間Ａにおいて、図２の期間ｄのようにＵ相からＲ相に電流を流す単方向スイッチＳ１２と、Ｕ相からＳ相に電流を流す単方向スイッチＳ２２と、Ｔ相からＵ相に電流を流す単方向スイッチＳ３２とをオンする状態を設けている。
【００２７】
しかしながら、実際に転流失敗が生じる可能性があるのは、例えば図５の時刻IIのように、Ｒ相電圧ＶＲの大きさとＳ相電圧ＶＳの大きさとがほぼ等しく、制御装置により決定された電源電圧の大小関係と実際の大小関係とが異なる場合であって、Ｒ相、Ｕ相間に接続された双方向スイッチＳ１とＳ相、Ｕ相間に接続された双方向スイッチＳ２との間で転流させる場合である。
【００２８】
ここで、前述の図１，図２に示した転流シーケンスでは、期間ｂ〜ｆにわたってＴ相からＵ相に電流を流す単方向スイッチＳ３２をオンさせているが、負荷電流の極性が正の場合（図２における矢印の向きの電流極性を正とする）、図１の転流シーケンス中では本来的にＲ相またはＳ相をＵ相に接続しなくてはならないにも関わらず、期間ｂ〜ｆにわたってＴ相がＵ相に接続されることになり、これによって大きな誤差電圧を生じ、出力電圧歪みを発生させることになる。
【００２９】
そこで、本発明の第３実施形態では、三相交流電源の最大相電圧と中間相電圧との差が所定値以下であって、最大相と出力相との間に接続された双方向スイッチＳ１と、中間相と出力相との間に接続された双方向スイッチＳ２との間で転流させる場合に、第１実施形態による図１，図２の制御シーケンスを実行することとした。
【００３０】
同様にして、本発明の第４実施形態では、三相交流電源の中間相電圧と最小相電圧との差が所定値以下であって、中間相と出力相とを接続する双方向スイッチＳ２と、最小相と出力相とを接続する双方向スイッチＳ３との間で転流させる場合に、第２実施形態による図３，図４の転流シーケンスを実行するようにした。
【００３１】
つまり、図６に示す期間Ｂのごとく、最大相から中間相への転流時または中間相から最小相への転流時であって、転流元の相の電源電圧と転流先の相の電源電圧との差が所定値以下である場合にのみ第１実施形態または第２実施形態の転流シーケンスを実行することにより、誤差電圧が発生する頻度を低減して出力電圧歪みの低減を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態を示す転流シーケンスである。
【図２】図１の各期間における動作説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す転流シーケンスである。
【図４】図３の各期間における動作説明図である。
【図５】各相電源電圧の波形図である。
【図６】各相電源電圧の波形図である。
【図７】マトリクスコンバータ及び周辺回路の構成図である。
【図８】図７における主要部の構成図である。
【図９】図８における転流シーケンスの一例を示す図である。
【図１０】図９の各期間における動作説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０：マトリクスコンバータ
２０：三相交流電源
３０：フィルタ
４０：三相負荷
Ｒ，Ｓ，Ｔ：入力端子（入力相）
Ｕ，Ｖ，Ｗ：出力端子（出力相）
Ｓ１〜Ｓ９：双方向スイッチ
Ｓ１１〜Ｓ３２：単方向スイッチ
【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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