(57)【要約】【課題】インバータ回路のスイッチング損失を防ぐ為に、数段インバータを用い、単一パルスを組み合わせることにより、低次調波をなくし、残りを出力フィルタで除去する多重化方式（マルチレベル方式）が提案されているが、インバータ回路を複数用いている為、スイッチング素子が多くなりロスが発生する。【解決手段】本発明は前記課題を解決する為に、変圧比を調整した２個のトランスと２つの対になった３組のスイッチング素子と前記スイッチング素子をオンオフする制御回路と、前記制御回路に位相情報を与える位相検出手段を備え、半周期ごとに、２つの対になった３組のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦタイミングを制御することにより、出力電圧１２パルス化を実現することを特徴とした１２パルス変換回路。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧比を調整した２個のトランスと、２つの対になった３組のスイッチング素子と、前記スイッチング素子をオンオフする制御回路と、前記制御回路に位相情報を与える位相検出手段を備え、半周期ごとに、２つの対になった３組のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御することにより、出力電圧１２パルス化を実現することを特徴とした１２パルス変換回路。
【請求項２】
前記トランスの変圧比の調整を、Ｔ１をＮ１ｐ：Ｎ１ｓ＝１：１＋√３、Ｔ２をＮ２ｐ：Ｎ２ｓ＝１：１とし、半周期ごとに、２つの対になった３組のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを、対のスイッチング素子が同じ動作を行い、正の半周期は、スイッチング素子Ｓ１を３０度から１５０度の間ONにし、スイッチング素子Ｓ３を０度から３０度と、６０度から１２０度と、１５０度から１８０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ６は、０度から１８０度の間ＯＮにし、その間前記スイッチング素子と対になるスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５は全てＯＦＦにして、次の負の半周期には、スイッチング素子Ｓ２を２１０度から３３０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ４を１８０度から２１０度と、２４０度から３００度と、３３０度から３６０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ５は、１８０度から３６０度の間ＯＮにし、その間前記スイッチング素子と対になるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ６は、全てＯＦＦに制御することを特徴とした請求項１に記載の１２パルス変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、風力発電などの直流電源を、交流に変換するインバータ回路に関し、詳しくは、１２パルス変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
正弦波電圧を出力する方法として、一般的にＰＷＭ制御を用い、スイッチング周波数除去として出力段にフィルタを介した構成となっている。スイッチング周波数を高くすればフィルタは小型化が可能であるが、ハードスイッチングでスイッチング回数が増える為、スイッチング損失が増大する。逆にスイッチング周波数を低くすればスイッチング損失は減るがフィルタが大型化してしまう。もちろんフィルタでの損失も増える。そこで、特にスイッチング損失を防ぐ為に、数段インバータを用い、単一パルスを組み合わせることにより、低次調波をなくし、残りを出力フィルタで除去する多重化方式（マルチレベル方式）が提案されている。例えば、６レベルインバータとして、特許文献１などが出願されている。本出願は、３台のインバータ回路を用いて、それぞれの出力を直列接続することで、６レベルの交流電圧波形を得ている。
【０００３】
また、特許文献２には、インバータ２台を用いて、２のべき乗方式では７レベル、３のべき乗方式では９レベルというようにレベル数の多いインバータを実現している。この方法は、フルブリッジ型のインバータを採用しており、1台あたり４つのスイッチング素子が必要なので、すくなくとも８個のスイッチング素子が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９０９１９号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、インバータ回路が３台必要であり、スイッチング素子が４個×３台＝１２個必要になる。電圧波形は、６レベル化されるが、トランスの変圧比を調整しても、各インバータ出力の位相をずらして合成するだけでは、低次調波全て（３,５，７,９次）を削減することは難しい。特許文献２では、インバータを２台用い、２のべき乗方式では、７レベル、３のべき乗方式では９レベルというようにレベル数は多いが、少なくともスイッチング素子は８個必要である。
【０００６】
このように、従来技術では、スイッチング素子の数が多くなり、スイッチングロスが多くなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は前記課題を解決する為に、トランスの変圧比を調整した２個のトランスと、２つの対になった３組のスイッチング素子と、前記スイッチング素子をオンオフする制御回路と、前記制御回路に位相情報を与える位相検出手段を備え、半周期ごとに、対のスイッチング素子が同じ動作を行うようにする。正の半周期は、スイッチング素子Ｓ１を３０度から１５０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ３を０度から３０度と、６０度から１２０度と、１５０度から１８０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ６は、０度から１８０度の間ＯＮにし、その間前記スイッチング素子と対になるスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５は、全てＯＦＦにする。
【０００８】
次の負の半周期には、スイッチング素子Ｓ２を２１０度から３３０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ４を１８０度から２１０度と、２４０度から３００度と、３３０度から３６０度の間ＯＮにし、スイッチング素子Ｓ５は、１８０度から３６０度の間ＯＮにし、その間前記スイッチング素子と対になるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ６は、全てＯＦＦにすることと、２つのトランスの変圧比を所定の値にしておくことで、出力電圧１２パルス化を実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、２個のトランスと、スイッチング素子を６個用いるだけでの簡単な構成で１２パルス化インバータを実現することができる。ＰＷＭ制御と比べて、スイッチング回数を減らすことができるので、その分回路全体としての損失を低減することができる。又、巻き線比、トランスの変圧比を調整することで、用途に応じた出力レベルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例のハードウェアの概略構成
【図２】本発明の一実施例のゲート信号波形
【図３】本発明の一実施例の出力電圧波形
【図４】本発明の一実施例の出力電圧波形(a)、トランス比未調整の出力電圧波形（ｂ）
【図５】本発明の一実施例のシミュレーション（出力波形）
【図６】本発明を適応しなかった（トランス比未調整）場合のシミュレーション（出力波形）
【図７】本発明の一実施例のシミュレーション（ＦＦＴ解析）
【図８】本発明を適応しなかった（トランス比未調整）場合のシミュレーション（ＦＦＴ解析）
【図９】本発明の一実施例のハードウェア概略構成（トランス１台の場合）
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１１】
図１、図２、図３を用いて本発明の実施例を説明する。図１のようにスイッチング素子６個（Ｓ１〜Ｓ６）と、トランス２個（Ｔ１、Ｔ２）を用いた構成である。対になるスイッチング素子（Ｓ１とＳ２）、（Ｓ３とＳ４）、（Ｓ５とＳ６）を直列接続し、それぞれの片端を電源の正側、他方を電源の負側に接続する。両トランスとも一次側の片端をスイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の間に接続し、トランスＴ１の他方の一次側をスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の間に接続し、トランスＴ２の他方の一次側をスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の間に接続する。トランスＴ１の変圧比を、Ｎ１ｐ：Ｎ１ｓ＝１：１＋√３とし、トランスＴ２の変圧比を、Ｎ２ｐ：Ｎ２ｓ＝１：１とする。
【００１２】
図２は、正の半周期の場合のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ波形を示している。スイッチング素子Ｓ１は、３０度〜１５０度の間、ＯＮ信号を出力する。スイッチング素子Ｓ３は、０度〜３０度と６０度〜１２０度と１５０度〜１８０度の間にＯＮ信号を出力する。スイッチング素子Ｓ６は、０度〜１８０度の間にＯＮ信号を出力する。その間、対となるスイッチング素子（Ｓ１ならＳ２、Ｓ３ならＳ４、Ｓ６ならＳ５）は、すべてＯＦＦとする。負の半周期の場合には、前記のスイッチング素子と対になるスイッチング素子を同様のタイミングでＯＮにし、その間、対となるスイッチング素子は全てＯＦＦとする。  
【００１３】
まず、０度〜３０度の間は、スイッチング素子３とスイッチング素子６がＯＮになっているので、電流は、スイッチング素子Ｓ３を通りトランスＴ２の一次側を通った後スイッチング素子Ｓ６を通り電源に戻る閉ループが構成される。このときトランスＴ２の変圧比は、１：１なので、トランスＴ２の２次側電圧Ｅ２ｓには、Ｅｄが出力される。同様に６０度〜１２０度、１５０度〜１８０度の間は、Ｅ２ｓにＥｄが出力される。
【００１４】
次にスイッチング素子Ｓ１については、３０度〜１５０度の間ＯＮになっている。スイッチング素子１とスイッチング素子６がＯＮになっているので、電流は、スイッチング素子Ｓ１を通りトランスＴ１の一次側を通った後スイッチング素子Ｓ６を通り電源に戻る閉ループが構成される。このときトランスＴ１の変圧比は、１：１＋√３なので、トランスＴ１の２次側電圧Ｅ１ｓには、（１＋√３）Ｅｄが出力される。出力電圧は、前記２つの出力の和となるので、図３に示すような出力波形を得ることができる。
【００１５】
負の半周期の場合は、図示していないが、正の半周期と対のスイッチング素子を前記半周期と同じタイミングでＯＮに、その対となるスイッチング素子を、全てＯＦＦとすることで、正負が逆転した同様の出力を得ることができる。
【００１６】
図４（ａ）のようにトランス比を調整した場合と、図４（ｂ）のようにトランス比を調整しなかった場合について、直流電圧Ｅｄ＝５ｖ、基本周波数６０Ｈｚでシミュレーションソフト（ＰＳＩＭ：ＭＹｗａｙプラス株式会社）を用いて実施した出力波形を図５、図６に、ＦＦＴ解析結果を図７、図８に示す。図７より、トランス比を調整した場合には、６ｍ（ｍ＝１，３，５・・・）±１次調波が、除去できていることがわかる。
【００１７】
実施例２、トランスの比率を変更する。前記のトランスの比を、トランスＴ１、Ｎ１ｐ：Ｎ１ｓ＝１：１、トランスＴ２、Ｎ２ｐ：Ｎ２ｓ＝１：１／（１＋√３）としても、同等の効果を得ることができるが、前記実施例１と同様の出力電圧が得るには、出力電圧Ｅｄの昇圧が必要となる。
【００１８】
実施例３、トランスを１台のみ使用した場合の回路図を図９に示す。トランスＴ２の変圧比、Ｎ２ｐ：Ｎ２ｓ＝１：１／（１＋√３）、とすることで、トランスを１台に減らすことが出来る。実施例４、同様にトランスＴ１の変圧比、Ｎ１ｐ：Ｎ１ｓ＝１：１＋√３、とすることで、トランスを１台に減らすことができる。ただし、実施例１と同等の出力Ｅｄを得るためには、別途昇圧回路が必要となる。実際には、トランスの大きさやと、昇圧回路の大きさ値段、調整のしやすさなどを総合的に判断して、どの実施例を採用するか決めれば良い。
【００１９】
実施例５、スイッチング素子８個（フルブリッジインバータ２台）の場合も、１２パルス化は可能である。インバータ１（上側の回路図示せず）は、３０度〜１５０度の間、電圧を出力するようにする。そのために、スイッチング素子Ｓ１を、３０度〜１５０度の間、ＯＮにする。スイッチング素子Ｓ４は、０度〜１８０度の間、ＯＮにする。インバータ２は、０度〜３０度と６０度〜１２０度、１５０度〜１８０度の間、電圧を出力するようにする。そのため、スイッチング素子Ｓ５は、前記期間のみＯＮ。スイッチング素子Ｓ８は、０度〜１８０度の期間、ＯＮにする。この間対になるスイッチング素子は、全てＯＦＦとする。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上のように、本発明は、太陽光発電システムや風力発電システムなどの自然エネルギーを利用した直流電源から、交流電源に変更する変換器に適用することができる。
【符号の説明】
【００２１】
Ｓ１〜Ｓ６      スイッチング素子
Ｔ１、Ｔ２      トランス
Ｅｄ            直流電圧
Ｅ              出力電圧
Ｎ１ｐ、Ｎ２ｐ  トランス１次側巻き数
Ｎ１ｓ、Ｎ２ｓ  トランス２次側巻き数
【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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