(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックダイオードが並列に配置されたそれぞれ二つのターンオフ可能なパワートランジスタで形成される、第１の電圧レールと第２の電圧レールとの間に介在するハーフブリッジ分岐を利用しながら、三相の入力電圧システムと三相の出力電圧システムとの間で準直接的なパルス幅制御による双方向のエネルギー変換をする装置であって、出力電圧システムはハーフブリッジ分岐のそれぞれのトランジスタの接続点によって形成されている電力変換装置において、
入力側のシステム部分も同じように、バックダイオードが並列に配置された第１と第２のパワートランジスタからなる三つの同一のハーフブリッジ状のバルブ分岐で形成されており、第１のトランジスタはコレクタ側で第１の電圧レールと接続され、第２のトランジスタはエミッタ側で第２の電圧レールと接続されており、両方のトランジスタの間には第３のターンオフ可能なパワートランジスタが、第３のトランジスタのエミッタ接続部が第１のトランジスタのエミッタ接続部と接続され、第３のトランジスタのコレクタ接続部は第２のトランジスタのコレクタ接続部と接続されるとともに第３のトランジスタと並列に二つのバックダイオードの直列接続がなされるように配置されており、入力電圧システムはバックダイオードのそれぞれの接続点に接続されている電力変換装置であって、
入力電圧システムが区域的に常に正の状態で電圧レールの間で形成されて印加されるように、入力側のバルブ分岐が出力側のハーフブリッジのパルス幅変調よりも低いスイッチング周波数で制御されるようにしてシステムの制御が行われ、それに対して出力電圧システムの形成は出力側のハーフブリッジ分岐のパルス幅変調を通じて入力側のバルブ分岐よりも高いスイッチング周波数で行われ、このようにして、入力側のバルブ分岐の一つのスイッチング状態で出力側のハーフブリッジ分岐の複数のスイッチング周期が行われることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
バックダイオードが並列に配置されたそれぞれ二つのターンオフ可能なパワートランジスタで形成される、第１の電圧レールと第２の電圧レールとの間に介在するハーフブリッジ分岐を利用しながら、三相の入力電圧システムと三相の出力電圧システムとの間で準直接的なパルス幅制御による双方向のエネルギー変換をする装置であって、出力電圧システムはハーフブリッジ分岐のそれぞれのトランジスタの接続点によって形成されている電力変換装置において、
入力側のシステム部分も同じように、バックダイオードが並列に配置された第１と第２のパワートランジスタからなる三つの同一のハーフブリッジ状のバルブ分岐で形成されており、第１のトランジスタはコレクタ側で第１の電圧レールと接続され、第２のトランジスタはエミッタ側で第２の電圧レールと接続されており、両力のトランジスタの間には第３のターンオフ可能なパワートランジスタが、第３のトランジスタのエミッタ接続部が第１のトランジスタのエミッタ接続部と接続され、第３のトランジスタのコレクタ接続部は第２のトランジスタのコレクタ接続部と接続されるとともに第３のトランジスタと並列に二つのバックダイオードの直列接続がなされるように配置されており、入力電圧システムはバックダイオードのそれぞれの接続点に接続されていることを特徴とする電力変換装置であって、
出力電圧システムの電流が区域的に常に、電圧レールの間で正の電庄が形成されて送られるように、出力側のハーフブリッジ分岐が入力側のバルブ分岐のパルス幅変調よりも低いスイッチング周波数で制御されるようにしてシステムの制御が行われ、それに対して入力側のバルブ分岐はパルス幅変調を通じて出力側のハーフブリッジ分岐よりも高いスイッチング周波数で所望の入力電圧システムが形成されるように制御され、このようにして、出力側のハーフブリッジ分岐の一つのスイッチング状態で入力側のバルブ分岐の複数のスイッチング周期が行われ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、電圧中継回路ないし電流中継回路を使わずに二つの三相システム間において電子的なエネルギー変換を実行する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用エレクトロニクスの多くの分野で、電圧および／または周波数が異なる二つの交流システム間において制御されたエネルギー交換を行うことができるパワーエレクトロニクス変換装置（変換器）が利用されている。この場合、電力供給技術や駆動技術の分野における特定の用途のために双方向に可能なエネルギー流が求められており、それは、たとえば回生制動を備える非同期機械駆動装置の場合である。すなわち、電力供給を行うネットワークにエネルギー回生をするような場合である。
【０００３】
今日の技術水準では、このような変換器は、それぞれ６つのターンオフ可能な半導体バルブからなる二つの三相のパルス制御変換器システムを、交流電圧中継回路ないし直流中継回路と中継回路側で結合することによって具体化されている。このような回路トポロジーは、求められる双方向のエネルギー変換を可能にはするものの、その際に半導体バルブに加えて、中継回路のリアクタンス部材（中継回路コンデンサないし中継回路抵抗器）が必要である。この部材は原理的に少なからず電流負荷ないし電圧負荷を有しており、そのために、装置全体の設計容積ないし設計コストに有意な影響が生じることになる。
【０００４】
そこで、固有の出力密度を向上させるために、および／または三相システム間のエネルギー交換をするパワーエレクトロニクス変換器の設計コストを下げるために、代替案として、前述した中継回路のリアクタンス部材を回避することができ、エネルギー変換を準「直接的に」行う変換器の構造も公知となっている（ダイレクト型パルス制御変換器）。
【０００５】
この場合、今日の技術水準では、変換器のそれぞれの出力相を、電子的に具体化されている三極切換スイッチによって、供給を行う入力電圧システムの三つの相のうちの一つに任意に切り換えることができる回路トポロジーが適用されている。それにより、三極切換スイッチをパルス幅制御で適宜クロッキングすることによって、制御限度内で（切換インターバル（パルス周期）にわたって平均化すれば）任意に設定可能な（たとえば、正弦波形で変化する）電圧を出力部で生成することができる。
【０００６】
それぞれ個々の三極切換スイッチの具体化は、相応に回路設計されて制御される一極の電子スイッチを使用することによって行われる。その結果として生じる全体的構造（それぞれ三つの一極の電子スイッチに対して三つの相で構成される）のために、このような変換器はしばしば「マトリクス型パルス制御変換器」とも呼ばれている。全体として必要な９つの電子スイッチが、回路図で見ると多くの場合３３マトリクスの形に配置されて描かれるからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公知の構造の欠点は、９つの電子スイッチが双方向の電流負荷と二極の電圧負荷をうけることであり、すなわち、そのために電流／電圧の特性曲線の考えられる４つの象限すべてで切換をしながら作動させることのできる半導体素子が必要になることである。
【０００８】
ところが、このような「シンメトリーに」ターンオフ可能な電子スイッチは、さまざまな半導体物理学上の条件から、従来、主要な出力範囲では単独の半導体として製作することができず、通常、それぞれ並列に配置されたバックダイオードを備える二つのパワートランジスタの対向式直列回路によって具体化されている。その結果、ダイレクト型パルス制御変換器の重大な欠点として、必要なパワートランジスタの数が比較的多くなってしまう（全部で１８のＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ）ということがある。
【０００９】
本発明は、中継回路の使用を回避しながら、二つの三相システム間における電子的なエネルギー変換をすることができ、公知のダイレクト型パルス制御変換器の構造に比べて必要なパワートランジスタの個数が少ないことを特徴とする電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の出発点となるのは、三つのハーフブリッジ分岐からなる公知の電圧中継回路型パルス制御変換器構造であり、その交流電圧側では、特別に構成されたブリッジ分岐の追加と、中継回路コンデンサの省略とによって、結果的に生じる全体的システムで、公知のダイレクト型パルス制御変換器のすべての切換状態を実現できるように拡張ないし改良がなされており、本発明による装置は、公知のダイレクト型パルス制御変換器よりもパワートランジスタの個数が少なくなっている。この場合、入力側のブリッジ分岐を適宜制御することによって、出力側の従来式のハーフブリッジ分岐に通じる交流電圧側の結合部位で、適正な機能のために必要な正の供給電圧が常に確保されることが保証される。
【００１２】
すなわち、本発明は、バックダイオード（９，１０）が並列に配置されたそれぞれ二つのターンオフ可能なパワートランジスタ（７，８）で形成される、第１の電圧レール（１１）と第２の電圧レール（１２）との間に介在するハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）を利用しながら、三相の入力電圧システム（１，２，３）と三相の出力電圧システム（４，５，６）との間で準直接的なパルス幅制御による双方向のエネルギー変換をする装置であって、出力電圧システム（４，５，６）はハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）のそれぞれのトランジスタ（７，８）の接続点によって形成されている電力変換装置において、入力側のシステム部分も同じように、バックダイオード（２１，２２）が並列に配置された第１と第２のパワートランジスタ（１９，２０）からなる三つの同一のハーフブリッジ状のバルブ分岐（１６，１７，１８）で形成されており、第１のトランジスタ（１９）はコレクタ側で第１の電圧レール（１１）と接続され、第２のトランジスタ（２０）はエミッタ側で第２の電圧レール（１２）と接続されており、両方のトランジスタ（１９，２０）の間には第３のターンオフ可能なパワートランジスタ（２３）が、第３のトランジスタのエミッタ接続部が第１のトランジスタ（１９）のエミッタ接続部と接続され、第３のトランジスタ（２３）のコレクタ接続部は第２のトランジスタ（２０）のコレクタ接続部と接続されるとともに第３のトランジスタ（２３）と並列に二つのバックダイオード（２４，２５）の直列接続がなされるように配置されており、入力電圧システム（１，２，３）はバックダイオード（２４，２５）のそれぞれの接続点につながれているのと共に、入力電圧システム（１，２，３）が区域的に常に正の状態で電圧レール（１１，１２）の間で形成されて印加されるように、入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）が出力側のハーフブリッジのパルス幅変調よりも低いスイッチング周波数で制御されるようにしてシステムの制御が行われ、それに対して出力電圧システム（４，５，６）の形成は出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）のパルス幅変調を通じて入力側のバルブ分岐よりも高いスイッチング周波数で行われ、このようにして、入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）の一つのスイッチング状態で出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）の複数のスイッチング周期が行われることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、バックダイオード（９，１０）が並列に配置されたそれぞれ二つのターンオフ可能なパワートランジスタ（７，８）で形成される、第１の電圧レール（１１）と第２の電圧レール（１２）との間に介在するハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）を利用しながら、三相の入力電圧システム（１，２，３）と三相の出力電圧システム（４，５，６）との間で準直接的なパルス幅制御による双方向のエネルギー変換をする装置であって、出力電圧システム（４，５，６）はハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）のそれぞれのトランジスタ（７，８）の接続点によって形成されている電力変換装置において、入力側のシステム部分も同じように、バックダイオード（２１，２２）が並列に配置された第１と第２のパワートランジスタ（１９，２０）からなる三つの同一のハーフブリッジ状のバルブ分岐（１６，１７，１８）で形成されており、第１のトランジスタ（１９）はコレクタ側で第１の電圧レール（１１）と接続され、第２のトランジスタ（２０）はエミッタ側で第２の電圧レール（１２）と接続されており、両方のトランジスタ（１９，２０）の間には第３のターンオフ可能なパワートランジスタ（２３）が、第３のトランジスタのエミッタ接続部が第１のトランジスタ（１９）のエミッタ接続部と接続され、第３のトランジスタ（２３）のコレクタ接続部は第２のトランジスタ（２０）のコレクタ接続部と接続されるとともに第３のトランジスタ（２３）と並列に二つのバックダイオード（２４，２５）の直列接続がなされるように配置されており、入力電圧システム（１，２，３）はバックダイオード（２４，２５）のそれぞれの接続点につながれているのと共に、出力電圧システム（４，５，６）の電流が区域的に常に、電圧レール（１１，１２）の間で正の電庄が形成されて送られるように、出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）が入力側のバルブ分岐のパルス幅変調よりも低いスイッチング周波数で制御されるようにしてシステムの制御が行われ、それに対して入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）はパルス幅変調を通じて出力側のハーフブリッジ分岐よりも高いスイッチング周波数で所望の入力電圧システム（１，２，３）が形成されるように制御され、このようにして、出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）の一つのスイッチング状態で入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）の複数のスイッチング周期が行われることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる電力変換装置の、回路構造について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１に示す回路トポロジーに基づく本発明の装置により、三相の入力電圧システム（１，２）と、同じく三相の出力電圧システム（４，５，６）との間で準直接的な、すなわち中継回路なしで作動する、双方向のエネルギー変換を実現することができる。この場合、入力電圧システムないし出力電圧システムの振幅、周波数、および位相位置は、入力電圧ないし出力電圧の周期時間に比べて短い切換サイクルにわたって平均化すれば、パルス幅変調による相応のクロッキングによって制御限度内で任意に設定可能である。
【００１６】
図示した回路トポロジーは、部分的に、三相の電圧中継回路型パルス制御変換器から公知となっている回路構造に基づいている。本例では、この回路トポロジーは、正の電圧レール（１１）と負の電圧レール（１２）の間に配置された三つの同一のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）で形成されている。この三つのハーフブリッジ分岐は、公知のやり方で、バックダイオード（９，１０）が並列に配置されたそれぞれ二つのターンオフ可能な半導体バルブ（７，８）で構成されるとともに、半導体バルブの相補的な制御が前提とされているので電子制御される切換スイッチとして作用し、この切換スイッチによって、出力電圧点（４）を正の電圧レール（１１）か負の電圧レール（１２）のいずれかに接続することができる。
【００１７】
中継回路電圧（つまり電圧レール（１１）と（１２）の間の電位差）が中継回路コンデンサによってサポートされながら設定される公知の電圧中継回路型パルス制御変換器とは異なり、ここではこの電位差が、それぞれ三つのパワートランジスタを備える別の三つのバルブ分岐（１６，１７，１８）の切換状態によって定義され、これらのバルブ分岐もやはり電圧レール（１１）および（１２）の間に配置されている。
【００１８】
この入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）も同様に、バックダイオード（２１，２２）が並列に配置されたそれぞれ二つのパワートランジスタ（１９，２０）からなるハーフブリッジに類似した構造で具体化されている。ただし、公知のハーフブリッジ構造の場合とは異なり、ここでは上側のハーフブリッジのトランジスタのエミッタ接続部が、下側のハーフブリッジのトランジスタのコレクタ接続部と直接接続されるのではなく、別のパワートランジスタ（２３）を介して接続されている。このパワートランジスタは、エミッタ接続部がトランジスタ（１９）のエミッタとつながれるが、コレクタ接続部はトランジスタ（２０）のコレクタとつながれるように配置されている。
【００１９】
そして、このトランジスタ（２３）には、直列接続で配置された二つのバックダイオード（２４，２５）が並列接続されており、ダイオード（２４，２５）の接続点に入力電圧システム（１，２，３）のそれぞれの相が接続されている。トランジスタ（２３）とダイオード（２４，２５）で拡張することにより、（機能的に見れば電圧レール（１１，１２）の間の二極切換スイッチであるにすぎない出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）とは異なり）入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）は完全にオフにすることも可能であり、すなわち、入力電圧システム（１，２，３）からのそれぞれの電流を止めることができる。
【００２０】
システム全体のすべての切換状態を分析するとわかるように、図１に示す回路トポロジーによって、公知のダイレクト型パルス制御変換器構造の場合もそうであるように、パルス幅制御によるダイレクト型エネルギー変換器としての動作にとって重要な、三相の電圧システム（１，２，３）と（４，５，６）の間のすべての接続部を具体化することができ、この場合には追加的に、電圧レール（１１，１２）の間で求められる、常に正の電位差が生じることを保証することができる。しかし本発明による装置（「準直接的なパルス制御変換器」）には１５個のパワートランジスタしか必要なく、したがって２×９個のトランジスタを備える公知のダイレクト型パルス制御変換器に比べて三つのトランジスタが節約される。
【００２１】
公知のマトリクス型パルス制御変換器と同じく、この新たな準直接的なパルス制御変換器も三相の入力電圧システム（１，２，３）からの不連続的な電流を有しており、したがって一般にこの場合にもやはり（図１には図示しない）入力フィルタが設けられており、その限界周波数はパルス制御変換器の切換周波数を有意に下回るように設定されている。
【００２２】
変換器システム全体の制御は、本発明によれば、入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）が低い切換周波数で制御され、それによって入力電圧システム（１，２，３）が区域的に常に正の状態で電圧レール（１１，１２）の間で形成されて印加されるように行うのが好ましい。求められる出力電圧システム（４，５，６）の形成は、出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）のパルス幅変調によって高い切換周波数で行われる。つまりこのようにして、入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）の一つの切換状態で、出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）の複数の切換サイクルが行われる。
【００２３】
あるいは、上記の他の実施の形態として、出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）が低い切換周波数で制御され、それによって出力電圧システム（４，５，６）に流れ込む電流が区域的に常に、電圧レール（１１，１２）の間で正の電圧が形成されて送られるように、変換器システムの制御を行うこともできる。そして入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）は、所望の入力電圧システム（１，２，３）が形成されるように、パルス幅変調を介して高い切換周波数で制御される。
【００２４】
したがって、この制御方法では、出力側のハーフブリッジ分岐（１３，１４，１５）の一つの切換状態で、入力側のバルブ分岐（１６，１７，１８）の複数の切換サイクルが行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  公知の三相の電圧中継回路型パルス制御変換器の回路の本発明による改良ないし拡張で得られる、二つの三相システムの間で準直接的なパルス幅制御によるエネルギー変換をする電力変換装置の基本構造を簡素化して示す模式図である。
【符号の説明】
１，２，３  入力電圧システム、４，５，６  出力電圧システム、７，８  トランジスタ、９，１０  バックダイオード、１１，１２  電圧レール、１３，１４，１５  ハーフブリッジ分岐、１６，１７，１８  バルブ分岐、１９，２０
トランジスタ、２１，２２  バックダイオード、２３  トランジスタ、２４，２５  バックダイオード。
【図１】
0004145591.tif 000002