(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と直流負荷との間には、少なくとも１つのリアクトル、複数のスイッチング素子、および第１のコンデンサが設けられるとともに、前記リアクトルと前記第１のコンデンサとの間には第２のコンデンサが設けられ、かつ、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御器を備え、前記交流電源の交流電圧と前記第１のコンデンサの電圧との間で電力変換を行い、前記第２のコンデンサを通過する電流経路と通過しない電流経路とを切り替えて複数の電圧を出力可能な電力変換装置であって、
前記制御器は、前記第１のコンデンサの電圧および前記第２のコンデンサの電圧を予め設定された指令値に制御しながら、前記直流負荷に対する負荷情報に応じて、前記交流電源の交流周期間で、前記スイッチング素子を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、前記第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替える、電力変換装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記負荷情報に応じて前記制御器で行う制御動作を判定する制御動作判定器と、
前記第２のコンデンサに対する電圧指令値を演算する第２コンデンサ電圧指令値演算器と、
前記第２のコンデンサの電圧を前記第２コンデンサ電圧指令値演算器で演算された前記電圧指令値に制御する第２コンデンサ電圧制御器と、
前記第１の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作と、前記第２の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作とを行う主制御器と、
前記制御器から生成されるデューティ比とキャリア信号とから前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成するゲート信号生成器と、
を備える、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
交流電源と直流負荷との間には、少なくとも１つのリアクトル、複数のスイッチング素子、および第１のコンデンサが設けられるとともに、前記リアクトルと前記第１のコンデンサとの間には第２のコンデンサが設けられ、かつ、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御器を備え、前記交流電源の交流電圧と前記第１のコンデンサの電圧との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記制御器は、前記第１のコンデンサの電圧および前記第２のコンデンサの電圧を予め設定された指令値に制御しながら、前記直流負荷に対する負荷情報に応じて、前記交流電源の交流周期間で、前記スイッチング素子を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、前記第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替えるとともに、
前記負荷情報に応じて前記制御器で行う制御動作を判定する制御動作判定器と、
前記第２のコンデンサに対する電圧指令値を演算する第２コンデンサ電圧指令値演算器と、
前記第２のコンデンサの電圧を前記第２コンデンサ電圧指令値演算器で演算された前記電圧指令値に制御する第２コンデンサ電圧制御器と、
前記第１の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作と、前記第２の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作とを行う主制御器と、
前記制御器から生成されるデューティ比とキャリア信号とから前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、
前記主制御器は、前記第１の制御方式に基づき昇圧動作する連続ＳＷ制御器、前記第２の制御方式に基づき昇圧動作する簡易ＳＷ昇圧制御器、および前記第２の制御方式に基づき降圧動作する簡易ＳＷ降圧制御器で構成される、電力変換装置。
【請求項４】
前記制御動作判定器は、前記交流電源から入力される交流電流と交流電圧から演算される入力電力に応じて、前記主制御器で行う制御動作を判定する、請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御動作判定器は、前記直流負荷への出力電圧に応じて、前記主制御器で行う制御動作を判定する、請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第２コンデンサ電圧指令値演算器は、前記第１のコンデンサの電圧指令値と、前記交流電源から入力される交流電圧とに基づいて前記第２のコンデンサの電圧指令値を決定する、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項７】
交流電源と直流負荷との間には、少なくとも１つのリアクトル、複数のスイッチング素子、および第１のコンデンサが設けられるとともに、前記リアクトルと前記第１のコンデンサとの間には第２のコンデンサが設けられ、かつ、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御器を備え、前記交流電源の交流電圧と前記第１のコンデンサの電圧との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記制御器は、前記第１のコンデンサの電圧および前記第２のコンデンサの電圧を予め設定された指令値に制御しながら、前記直流負荷に対する負荷情報に応じて、前記交流電源の交流周期間で、前記スイッチング素子を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、前記第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替えるとともに、
前記負荷情報に応じて前記制御器で行う制御動作を判定する制御動作判定器と、
前記第２のコンデンサに対する電圧指令値を演算する第２コンデンサ電圧指令値演算器と、
前記第２のコンデンサの電圧を前記第２コンデンサ電圧指令値演算器で演算された前記電圧指令値に制御する第２コンデンサ電圧制御器と、
前記第１の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作と、前記第２の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作とを行う主制御器と、
前記制御器から生成されるデューティ比とキャリア信号とから前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、
前記第２コンデンサ電圧指令値演算器は、前記第１のコンデンサの電圧指令値と、前記交流電源から入力される交流電圧とに基づいて前記第２のコンデンサの電圧指令値を決定し、
前記第２コンデンサ電圧指令値演算器は、前記第１のコンデンサの前記電圧指令値が前記交流電圧のピーク値以下となる条件において、交流半周期で、前記交流電圧が前記第１のコンデンサの電圧以上となる時間と、前記交流電圧が前記第１のコンデンサの電圧以下で、かつ前記第２のコンデンサの電圧以上となる時間とを一致させるべく、前記第２のコンデンサの電圧指令値を決定する、電力変換装置。
【請求項８】
前記簡易ＳＷ昇圧制御器は、前記第２の制御方式に基づき昇圧動作する場合において、前記交流電源から入力される交流電流と交流電圧から演算される入力電力に応じて、前記交流電圧が前記第２のコンデンサの電圧以下の範囲で、スイッチングする動作か、スイッチングしない動作かを判定する、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記簡易ＳＷ昇圧制御器は、前記第２の制御方式に基づき昇圧動作する場合において、前記交流電源の力率と入力電力に基づいてスイッチング回数を変更する、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記簡易ＳＷ昇圧制御器は、前記第２の制御方式に基づき昇圧動作する場合において、前記交流電源の交流電圧が第２のコンデンサの電圧以上の範囲で、前記交流電源の力率に基づいてスイッチングを開始するタイミングを変更する、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記簡易ＳＷ降圧制御器は、前記第２の制御方式に基づき降圧動作する場合において、前記第１のコンデンサの電圧に応じて、前記交流電源の交流電圧が第２のコンデンサの電圧以下の範囲で、スイッチングする動作か、スイッチングしない動作かを判定する、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記簡易ＳＷ降圧制御器は、前記第２の制御方式に基づき降圧動作する場合において、前記交流電源の力率と入力電力に基づいてスイッチング回数を変更する、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記主制御器は、前記第２の制御方式に基づく制御動作を行う場合において、前記第２のコンデンサを充電する期間と、前記第２のコンデンサを放電する期間とを一致させるべく、前記スイッチング素子の制御を行う、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記制御器は、前記第２の制御方式に基づき昇圧動作する場合において、前記スイッチング素子が１回スイッチングを行う間に前記リアクトルが２回励磁と消磁を行い、前記第２のコンデンサの充放電がそれぞれ１回行う、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記制御器は、前記第２の制御方式に基づき降圧動作する場合において、前記交流電圧が前記第１のコンデンサの電圧以上となる時間と、前記交流電圧が前記第１のコンデンサの電圧以下で、かつ前記第２のコンデンサの電圧以上となる時間とのそれぞれにおいて、前記スイッチング素子が１回スイッチングを行う間に前記リアクトルが２回励磁とリセットを行い、前記第２のコンデンサの充放電をそれぞれ１回行う、請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置には、交流電源に対して、リアクトル、複数のスイッチング素子およびコンデンサで構成するインバータと、複数のスイッチング素子および平滑コンデンサで構成するコンバータとが順次直列に接続されたものがあり、交流電源の交流電圧と平滑コンデンサの直流電圧との間で電力変換を行う際に、インバータの１スイッチング周期内で直流コンデンサの充電および放電の動作を行い、かつ、その充電量と放電量とが等しくなるように、インバータのスイッチング素子とコンバータのスイッチング素子とを制御するものがある（例えば、下記の特許文献１参照）。【０００３】
上記従来の電力変換装置では、直流コンデンサは、交流電源の長大な周期と関係なく、インバータの１スイッチング周期内でその充電量と放電量とが等しくなるよう各スイッチング素子のスイッチング動作が制御されるので、充放電量そのものが低減し、リプル電圧を抑制できるため、直流コンデンサに要求される容量が低減し、装置の小型化が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１２９４５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１に示される従来技術では、どのような負荷状態においても交流周期間に一定スイッチング周波数でＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作を行うため、電力変換装置で発生するスイッチング損失、ならびにリアクトルの高周波損失（鉄損、銅損）が増加し、軽負荷範囲での回路効率低下を招くという課題がある。【０００６】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、負荷状態に応じて複数のスイッチング素子の全てのスイッチング回数を減らすことにより、従来に比べて電力変換装置で発生するスイッチング損失ならびにリアクトルの高周波損失（鉄損、銅損）を抑制し、広範囲で高効率な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示される電力変換装置は、交流電源と直流負荷との間には、少なくとも１つのリアクトル、複数のスイッチング素子、および第１のコンデンサが設けられるとともに、前記リアクトルと前記第１のコンデンサとの間には第２のコンデンサが設けられ、かつ、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御器を備え、前記交流電源の交流電圧と前記第１のコンデンサの電圧との間で電力変換を行い、前記第２のコンデンサを通過する電流経路と通過しない電流経路とを切り替えて複数の電圧を出力可能な電力変換装置であって、前記制御器は、前記第１のコンデンサの電圧および前記第２のコンデンサの電圧を予め設定された指令値に制御しながら、前記直流負荷に対する負荷情報に応じて、前記交流電源の交流周期間で、前記スイッチング素子を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、前記第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替えるものである。
また、本願に開示される電力変換装置は、交流電源と直流負荷との間には、少なくとも１つのリアクトル、複数のスイッチング素子、および第１のコンデンサが設けられるとともに、前記リアクトルと前記第１のコンデンサとの間には第２のコンデンサが設けられ、かつ、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御器を備え、前記交流電源の交流電圧と前記第１のコンデンサの電圧との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記制御器は、前記第１のコンデンサの電圧および前記第２のコンデンサの電圧を予め設定された指令値に制御しながら、前記直流負荷に対する負荷情報に応じて、前記交流電源の交流周期間で、前記スイッチング素子を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、前記第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替えるとともに、
前記負荷情報に応じて前記制御器で行う制御動作を判定する制御動作判定器と、
前記第２のコンデンサに対する電圧指令値を演算する第２コンデンサ電圧指令値演算器と、
前記第２のコンデンサの電圧を前記第２コンデンサ電圧指令値演算器で演算された前記電圧指令値に制御する第２コンデンサ電圧制御器と、
前記第１の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作と、前記第２の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作とを行う主制御器と、
前記制御器から生成されるデューティ比とキャリア信号とから前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、
前記主制御器は、前記第１の制御方式に基づき昇圧動作する連続ＳＷ制御器、前記第２の制御方式に基づき昇圧動作する簡易ＳＷ昇圧制御器、および前記第２の制御方式に基づき降圧動作する簡易ＳＷ降圧制御器で構成されるものである。
さらに、本願に開示される電力変換装置は、交流電源と直流負荷との間には、少なくとも１つのリアクトル、複数のスイッチング素子、および第１のコンデンサが設けられるとともに、前記リアクトルと前記第１のコンデンサとの間には第２のコンデンサが設けられ、かつ、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御器を備え、前記交流電源の交流電圧と前記第１のコンデンサの電圧との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記制御器は、前記第１のコンデンサの電圧および前記第２のコンデンサの電圧を予め設定された指令値に制御しながら、前記直流負荷に対する負荷情報に応じて、前記交流電源の交流周期間で、前記スイッチング素子を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、前記第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替えるとともに、
前記負荷情報に応じて前記制御器で行う制御動作を判定する制御動作判定器と、
前記第２のコンデンサに対する電圧指令値を演算する第２コンデンサ電圧指令値演算器と、
前記第２のコンデンサの電圧を前記第２コンデンサ電圧指令値演算器で演算された前記電圧指令値に制御する第２コンデンサ電圧制御器と、
前記第１の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作と、前記第２の制御方式に基づく前記スイッチング素子の制御動作とを行う主制御器と、
前記制御器から生成されるデューティ比とキャリア信号とから前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、
前記第２コンデンサ電圧指令値演算器は、前記第１のコンデンサの電圧指令値と、前記交流電源から入力される交流電圧とに基づいて前記第２のコンデンサの電圧指令値を決定し、
前記第２コンデンサ電圧指令値演算器は、前記第１のコンデンサの前記電圧指令値が前記交流電圧のピーク値以下となる条件において、交流半周期で、前記交流電圧が前記第１のコンデンサの電圧以上となる時間と、前記交流電圧が前記第１のコンデンサの電圧以下で、かつ前記第２のコンデンサの電圧以上となる時間とを一致させるべく、前記第２のコンデンサの電圧指令値を決定するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置によれば、直流負荷の状態に応じて複数のスイッチング素子の全てのスイッチング回数を減らすことができるため、電力変換装置で発生するスイッチング損失およびリアクトルの高周波損失（鉄損、銅損）を抑制でき、広範囲で高効率な装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１による電力変換装置の回路図である。
【図２】実施の形態１による制御器のブロック図である。
【図３Ａ】実施の形態１による交流電圧、第２コンデンサの電圧、第１コンデンサの電圧の大小関係を示す説明図である。
【図３Ｂ】実施の形態１による交流電圧、第２コンデンサの電圧、第１コンデンサの電圧の大小関係を示す説明図である。
【図４】実施の形態１による連続ＳＷ動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図５】実施の形態１による簡易ＳＷ昇圧動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図６】実施の形態１による簡易ＳＷ昇圧動作時の他の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図７】実施の形態１による簡易ＳＷ降圧動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図８】実施の形態１による簡易ＳＷ降圧動作時の他の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図９】実施の形態１による制御動作判定器のブロック図である。
【図１０】実施の形態１による第２コンデンサ電圧指令値演算器のブロック図である。
【図１１】実施の形態１による第２コンデンサ電圧制御器のブロック図である。
【図１２】実施の形態１による連続ＳＷ制御器のブロック図である。
【図１３Ａ】実施の形態１による動作範囲Ｒ１におけるスイッチングパターンである。
【図１３Ｂ】実施の形態１による動作範囲Ｒ２におけるスイッチングパターンである。
【図１３Ｃ】実施の形態１による動作範囲Ｒ３におけるスイッチングパターンである。
【図１４Ａ】実施の形態１によるＤｕｔｙ合算器の動作説明に供する図である。
【図１４Ｂ】実施の形態１によるＤｕｔｙ合算器の動作説明に供する図である。
【図１５】実施の形態１による簡易ＳＷ昇圧制御器のブロック図である。
【図１６】実施の形態１によるＳＷキャリア演算器Ａのブロック図である。
【図１７】実施の形態１による簡易ＳＷ降圧制御器のブロック図である。
【図１８】実施の形態１によるＳＷキャリア演算器Ｂのブロック図である。
【図１９】実施の形態２による電力変換装置の回路図である。
【図２０】実施の形態２による制御器のブロック図である。
【図２１】実施の形態２による制御動作判定器のブロック図である。
【図２２】実施の形態３による電力変換装置の回路図である。
【図２３】実施の形態４による電力変換装置の回路図である。
【図２４】実施の形態５による電力変換装置の回路図である。
【図２５】実施の形態５による制御器のブロック図である。
【図２６】実施の形態５による連続ＳＷ動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図２７】実施の形態５による簡易ＳＷ昇圧動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図２８】実施の形態５による簡易ＳＷ昇圧動作時の他の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図２９】実施の形態５による各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
【図３０】実施の形態６による電力変換装置の回路図である。
【図３１】実施の形態における制御器のハードウエアの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置の回路図である。
この実施の形態１の電力変換装置１００は、単相の交流電源１の交流電圧、交流電力を直流電圧、直流電力に変換して負荷７に出力するための主回路、および主回路を制御する制御器８を備える。そして、主回路は、交流電源１と第１コンデンサ６との間に、リアクトル２、単相インバータ３、および単相コンバータ５が順次接続されて構成されている。
【００１１】
上記の単相インバータ３は、一対の半導体スイッチング素子３ａ、３ｂが直列接続された第１レグと、一対の半導体スイッチング素子３ｃ、３ｄが直列接続された第２レグ、および第１レグと第２レグの間にあって第１レグおよび第２レグに並列に接続された第２コンデンサ４を備える。
【００１２】
また、上記の単相コンバータ５は、一対の半導体スイッチング素子５ａ、５ｂが直列接続された第３レグ、および一対の半導体スイッチング素子５ｃ、５ｄが直列接続された第４レグを備え、第３レグおよび第４レグが互いに並列に接続されて構成されている。
【００１３】
リアクトル２は、交流電源１のＰ母線と単相インバータ３の第１レグの中点との間に接続されている。また、単相コンバータ５の第３レグの中点と単相インバータ３の第２レグの中点とが接続され、単相コンバータ５の第４レグの中点と交流電源１のＮ母線とが接続されている。また、第１コンデンサ６は、単相コンバータ５の第３レグおよび第４レグの上端と、負荷７とがＰ側端子に接続され、また単相コンバータ５の第３レグおよび第４レグの下端と、負荷７とがＮ側端子に接続されている。
【００１４】
なお、単相インバータ３および単相コンバータ５に用いられる半導体スイッチング素子は、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはソース・ドレイン間にダイオードが接続されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはカスコード型のＧａＮ−ＨＥＭＴ（Ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｈｉｇｈ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることが好ましい。また、帰還ダイオードは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、あるいはＧａＮ−ＨＥＭＴに内蔵されたダイオードを用いても良く、外付けに別途ダイオードを設けても良い。負荷７は、抵抗負荷、蓄電池負荷の他に、図示しないインバータを介して接続されるモータあるいは圧縮機を負荷としてもよい。また、第１コンデンサ６と第２コンデンサ４は、アルミ電解コンデンサ、あるいはフィルムコンデンサなどで構成することができる。
【００１５】
交流電源１の交流電圧Ｖａｃ、第１コンデンサ６の電圧（以下、出力電圧ともいう）Ｖｄｃ、第２コンデンサ４の電圧Ｖｓｕｂが、それぞれ電圧センサ（図示省略）により検出されて制御器８に入力される。さらに、交流電源１の交流電流ｉａｃが電流センサ（図示省略）により検出されて制御器８に入力される。
【００１６】
制御器８では、上記センサで検出されて入力される負荷情報（すなわち、上記の電圧情報および電流情報）に基づいて、単相インバータ３のゲート信号Ｇ３ａ、Ｇ３ｂ、Ｇ３ｃ、Ｇ３ｄ、および単相コンバータ５のゲート信号Ｇ５ａ、Ｇ５ｂ、Ｇ５ｃ、Ｇ５ｄを生成して電力変換装置１００を制御する。
【００１７】
図２は、実施の形態１による制御器のブロック図である。
制御器８は、制御動作判定器９、第２コンデンサ電圧指令値演算器１０（図２では電圧指令値演算器１０と略している）、第２コンデンサ電圧制御器１１（図２では電圧制御器１１と略している）、主制御器１２、およびゲート信号生成器１６で構成される。
【００１８】
ここに、制御動作判定器９は、負荷情報、すなわち交流電圧Ｖａｃと出力電圧Ｖｄｃとの大小関係、および交流電圧Ｖａｃと交流電流ｉａｃとから演算される入力電力の情報に応じて、主制御器１２で行う制御動作を選択する制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌ（図２ではＳＳと略している）を出力する。
第２コンデンサ電圧指令値演算器１０は、交流電圧Ｖａｃおよび第１コンデンサ６の電圧指令値（以下、出力電圧指令値ともいう）Ｖｄｃ＊から動作状態に応じた第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊を演算して出力する。
第２コンデンサ電圧制御器１１は、第２コンデンサ４の電圧Ｖｓｕｂをその電圧指令値Ｖｓｕｂ＊になるように制御する制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂを演算して出力する。なお、以下、制御目標となる指令値には＊印を付す。
【００１９】
主制御器１２は、連続スイッチング制御器１３、簡易スイッチング昇圧制御器１４、および簡易スイッチング降圧制御器１５の３つで構成される。なお、本願では、スイッチングをＳＷと略して使用することがあり、特に、連続スイッチング制御器１３は連続ＳＷ制御器１３と、簡易スイッチング昇圧制御器１４は簡易ＳＷ昇圧制御器１４と、簡易スイッチング降圧制御器１５は簡易ＳＷ降圧制御器１５と略して使用する。
主制御器１２は、制御動作判定器９から入力される制御選択信号ＳＳによって、上記の３つの制御器１３、１４、１５の内、いずれの制御器で制御を行うかを決定する。そして、前述のセンサで検出された電圧情報および電流情報Ｖａｃ、Ｖｄｃ、Ｖｓｕｂ、ｉａｃ、ならびに第２コンデンサ電圧制御器１１で演算された制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂに基づいて、力率制御および電圧制御を担うデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌ、およびこのデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとの比較を行うキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒを生成する。
【００２０】
また、ゲート信号生成器１６は、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌおよびキャリア信号ＣａｒｒｉｅｒからＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりゲート信号を演算し、単相インバータ３の半導体スイッチング素子３ａ〜３ｄ、および単相コンバータ５の半導体スイッチング素子５ａ〜５ｄの各ゲートをＯＮ／ＯＦＦするゲート信号３ａ〜３ｄ、５ａ〜５ｄを出力する。
【００２１】
次に、この実施の形態１による電力変換装置１００の動作を説明する。
電力変換装置１００は、交流電源１から入力される交流電流ｉａｃを単相インバータ３と単相コンバータ５が互いに協調しながらスイッチングすることで、リアクトル２に流れる交流電流ｉａｃを高力率に制御しながら電圧を昇圧あるいは降圧し、第１コンデンサ６により電力を平滑化して負荷７に直流電力を供給する。
特に、この実施の形態１では、主制御器１２を構成する連続ＳＷ制御器１３、簡易ＳＷ昇圧制御器１４、および簡易ＳＷ降圧制御器１５により、連続ＳＷ制御、簡易ＳＷ昇圧制御、および簡易ＳＷ降圧制御の３つの制御動作が行われる。
【００２２】
なお、連続ＳＷ制御器１３による連続ＳＷ制御が、請求の範囲における第１の制御方式に、また、簡易ＳＷ昇圧制御器１４による簡易ＳＷ昇圧制御、および簡易ＳＷ降圧制御器１５による簡易ＳＷ降圧制御が、請求の範囲における第２の制御方式にそれぞれ対応している。
【００２３】
まず、各制御動作の動作概要について図３を用いて説明する。
図３Ａ、Ｂには系統半周期中の交流電圧Ｖａｃ、第２コンデンサ４の電圧Ｖｓｕｂ、第１コンデンサ６の電圧（出力電圧）Ｖｄｃの大小関係を示している。図３Ａは昇圧時の波形を、図３Ｂは降圧時の波形を示す。この実施の形態１による電力変換装置１００では、昇圧時には符号Ｒ１とＲ２の２つの動作範囲が、降圧時には符合Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で示す３つの動作範囲が存在し、それぞれの範囲においてスイッチングパターンを切り替えながら動作する。なお、昇圧時と降圧時において同一符合では同じ動作となる。
【００２４】
図４は連続ＳＷ動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
連続ＳＷ制御では、数ｋＨｚ以上のスイッチング周波数でゲート駆動する動作となり、交流電流ｉａｃは力率「１」に近い正弦波状の波形となる。図４は、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２での１スイッチング周期におけるゲート信号波形をそれぞれ示す。単相インバータ３においては第１のレグと第２のレグが駆動周期の半周期分ずれてスイッチングし、単相コンバータ５においては第４のレグはスイッチングを行わず、第３のレグがスイッチングする。各レグの上下のスイッチング素子のゲート信号は反転の関係になる。
【００２５】
このようにスイッチングすることで、各スイッチング素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁と消磁を行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行われる。これにより、第２コンデンサ４は、スイッチング周期の時定数で充放電が行われるため、小容量のコンデンサで構成できる。なお、単相コンバータ５の第４のレグにおいて、並列のダイオードに通流するタイミングでゲート信号をＯＮさせ、同期整流動作を行っても良い。
【００２６】
なお、図中、ＶＧ３ａ〜ＶＧ３ｄは単相インバータ３の各スイッチング素子３ａ〜３ｄのゲートに加えるゲート信号Ｇ３ａ〜Ｇ３ｄの電圧を示し、ＶＧ５ａ〜ＶＧ５ｄは単相コンバータ５の各スイッチング素子５ａ〜５ｄのゲートに加えるゲート信号Ｇ５ａ〜Ｇ５ｄの電圧を示す。また、Ｃｓｕｂは第２コンデンサ４の容量、Ｃｈｇは充電状態、ＤｉｓＣｈｇは放電状態を示す（以下の図でも同じ）。
【００２７】
連続ＳＷ制御は、他の２つの制御、すなわち、簡易ＳＷ昇圧制御および簡易ＳＷ降圧制御と異なり、数ｋＨｚ以上のＰＷＭ制御となるため、高昇圧で動作させることができる。そのため、連続ＳＷ制御動作は、大電流となる重負荷の条件、あるいは高昇圧比が必要な動作条件において有効となる制御である。
なお、図４に示したゲート信号のパターンは一例であり、各スイッチング素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁と消磁を行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行う動作となるスイッチングパターンであれば良く、図４に示すスイッチングパターンに限定されない。
【００２８】
図５および図６は簡易ＳＷ昇圧動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
簡易ＳＷ昇圧制御では、交流半周期内で数回のみスイッチングする動作となり、スイッチング回数が連続ＳＷ制御よりも少ないために力率は低下するが、高周波駆動に伴う損失は大幅に低減できる。簡易ＳＷ昇圧制御では、入力電力の条件に応じて動作範囲Ｒ１でスイッチングする動作とスイッチングしない動作とを行う。図５が動作範囲Ｒ１でスイッチングする動作であり、図６が動作範囲Ｒ１でスイッチングしない動作である。電力が小さい場合、動作範囲Ｒ２のみのスイッチングで十分に力率を確保できるが、電力が大きくなった場合、動作範囲Ｒ２のみのスイッチングでは電流ピークが増大し、力率の悪化および損失の増加が引き起こされる。
【００２９】
簡易ＳＷ昇圧制御の場合においても、単相インバータ３の第１のレグと第２のレグ、および単相コンバータ５の第３のレグがスイッチングを行い、第４のレグはスイッチングを行わず、各レグの上下のスイッチング素子のゲート信号が反転の関係になる。なお、連続ＳＷ制御の場合と同様に、単相コンバータ５の第４のレグにおいて、並列のダイオードに通流するタイミングでゲート信号をＯＮさせ、同期整流動作を行っても良い。
【００３０】
簡易ＳＷ昇圧制御では、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２で、ユーザが指定したスイッチング回数で第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃが指令値に追従するオン時間だけゲート信号をＯＮする動作となる。指定回数をスイッチングした後は、第２コンデンサ４で充放電が発生しないように、交流電源１と負荷７をつなぐ経路を形成し、リアクトル２と第１コンデンサ６との自由共振動作となる。
【００３１】
なお、図５、図６に示したゲート信号のパターンは１例であり、各スイッチング素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁と消磁を行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行う動作となるパターンであれば良く、図５、図６に示したパターンに限定されない。また、ユーザが設定するスイッチング回数は何回でもよく、スイッチング回数が多ければ力率が１に近づくが、回路損失は増加するというトレードオフの関係が成り立つ。
【００３２】
図７および図８は簡易ＳＷ降圧動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
簡易ＳＷ降圧制御では、簡易ＳＷ昇圧制御と同様に、交流半周期内で数回のみスイッチングする動作となり、スイッチング回数が少ないため高周波駆動に伴う損失は大幅に低減できる。また、簡易ＳＷ降圧制御では、第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃの降圧比に応じて動作範囲Ｒ１でスイッチングする動作の場合と、スイッチングしない動作の場合とを選択することができる。図７が動作範囲Ｒ１でスイッチングする動作であり、図８が動作範囲Ｒ１でスイッチングしない動作である。降圧比が小さい場合、動作範囲Ｒ２のみのスイッチングで十分力率と電圧一定制御を行うことができるが、降圧比が大きくなった場合、動作範囲Ｒ２のみでは電圧一定制御が正常に動作しなくなる。
【００３３】
簡易ＳＷ降圧制御の場合においても、単相インバータ３の第１のレグと第２のレグ、および単相コンバータ５の第３のレグがスイッチングを行い、第４のレグはスイッチングを行わず、各レグの上下のスイッチング素子のゲート信号が反転の関係になる。なお、連続ＳＷ制御と同様に、単相コンバータ５の第４のレグにおいて、並列のダイオードに通流するタイミングでゲート信号をＯＮさせ、同期整流動作を行っても良い。
【００３４】
簡易ＳＷ降圧制御では、連続ＳＷ制御および簡易ＳＷ昇圧制御の場合と異なり、動作範囲Ｒ３が存在する。動作範囲Ｒ３では、Ｖａｃ＞Ｖｄｃ＞Ｖｓｕｂの条件下で、各スイッチング素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が１回励磁と消磁を行いながら第２コンデンサ４が１回充放電するスイッチングパターンで駆動する必要がある。そのため、動作範囲Ｒ１、Ｒ２と比べ、スイッチング回数が２倍必要となる。したがって、簡易ＳＷ降圧制御では、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２の合計の充放電回数が動作範囲Ｒ３の充放電回数と等しくなる必要がある。
【００３５】
図７に示した動作範囲Ｒ１でスイッチング動作する場合では、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２とでそれぞれ１回スイッチングすると、交流半周期で最小のスイッチング回数が８回となり、ユーザが設定できる回数は８の倍数となる。また、図８に示した動作範囲Ｒ１でスイッチングしない動作の場合では、最小のスイッチング回数が４回であり、ユーザが設定できる回数は４の倍数となる。上記のようにスイッチング回数を８回とした場合、スイッチング周波数は４００Ｈｚとなり、連続ＳＷ制御で動作させる場合よりも高周波損失を低減することができる。
【００３６】
なお、図７および図８に示したゲート信号のパターンは１例であり、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２においては、各スイッチング素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁とリセットを行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行う動作となるパターンであればよい。また、ユーザが設定するスイッチング回数は、動作範囲Ｒ１でスイッチングする動作の場合では８の倍数であれば何回でもよく、動作範囲Ｒ１でスイッチングしない動作の場合では４の倍数であれば何回でもよい。スイッチング回数が多ければ力率が１に近づくが、回路損失は増加するというトレードオフの関係が成り立つ。
【００３７】
次に、この実施の形態１による制御器８の構成および動作を説明する。
図９は制御動作判定器９のブロック図である。
制御動作判定器９には、図示しないセンサで検出された交流電圧Ｖａｃ、第１コンデンサ６の電圧（出力電圧）Ｖｄｃ、および交流電流ｉａｃが入力される。制御動作判定器９の領域判定器１７は、交流電圧Ｖａｃに対して出力電圧Ｖｄｃが昇圧なのか降圧なのかを判定する。また、ＳＷ動作判定器１８は、電力変換装置１００による動作電力を演算し、ユーザが事前に定めた電力値との比較を行い、連続ＳＷ動作制御を行うか、あるいは簡易ＳＷ動作制御を行うかを判定する。そして、各信号の合算により得られる制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌを主制御器１２に出力する。なお、図９において、ＲＭＳは実効値、ＳＱＲＴ２は２の平方根を表している。
【００３８】
図１０は、第２コンデンサ電圧指令値演算器１０のブロック図である。
第２コンデンサ電圧指令値演算器１０は、交流電圧Ｖａｃと出力電圧指令値Ｖｄｃ＊の動作状態に応じて、第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊を演算する。交流電圧Ｖａｃと出力電圧指令値Ｖｄｃ＊の関係は図３に示す通りであり、大きく分けて図３Ａ、または図３Ｂの２パターンとなる。
すなわち、図３Ａでは、常にＶｓｕｂ＊＝Ｖｄｃ＊／２となるように設定する。図３Ｂでは、交流電圧Ｖａｃと出力電圧指令値Ｖｄｃ＊の大小関係から、動作範囲Ｒ３の期間と動作範囲Ｒ２の期間が等しくなるように第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊を設定する。
【００３９】
この実施の形態１の電力変換装置は、出力電圧指令値Ｖｄｃ＊が交流電圧Ｖａｃの実効値と同じとなる条件が降圧限界となるため、第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊の下限値は交流電圧Ｖａｃの実効値の半分となる。
このように、降圧動作時に第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊を可変させることによって、動作範囲Ｒ２と動作範囲Ｒ３のみでスイッチングする動作を行う場合、Ｖｓｕｂ＊＝Ｖｄｃ＊／２の条件式よりも力率改善効果を上げることができる。
【００４０】
図１０の動作範囲Ｒ３周期演算器１９では、次の式（１）の演算を行う。また、Ｖｓｕｂｒｅｆ演算器２０では、次の式（２）の演算を行う。ここで、ω＝２π・ｆａｃであり、ｆａｃは交流電源の周波数である。なお、図１０において、÷は除算器、ＭＵＸはマルチプレクサを表している。
【００４１】
Ｔ３＝１／ω・ａｒｃｓｉｎ（Ｖｄｃ＊／√２Ｖａｃ）          （１）
Ｖｓｕｂｒｅｆ＝Ｖｄｃ＊−√２Ｖａｃ・ｓｉｎ（ω・Ｔ３）    （２）
【００４２】
図１１は、第２コンデンサ電圧制御器１１のブロック図である。
第２コンデンサ電圧制御器１１は、図外のセンサで検出した第２コンデンサ４の電圧Ｖｓｕｂと、第２コンデンサ電圧指令値演算器１０で演算された第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊とから、両者の偏差を演算し、比例積分制御（ＰＩ制御）により第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊に追従するように制御を行う。なお、図１１において、ＰＩは比例積分制御器、÷は除算器を表している。
【００４３】
主制御器１２は、連続ＳＷ制御器１３、簡易ＳＷ昇圧制御器１４、簡易ＳＷ降圧制御器１５の３つで構成される。そして、制御動作判定器９から出力される制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌに基づいて、３つの制御動作を切り替えながら、各制御動作に対応したデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌ、およびこのデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとの比較を行うキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒを生成し、ゲート信号生成器１６に出力する。
【００４４】
図１２は、連続ＳＷ制御器１３のブロック図である。
連続ＳＷ制御器１３は、制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌとして、昇圧連続スイッチング動作に対応した信号が入力された場合に動作する。
【００４５】
連続ＳＷ制御器１３は、検出した第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃ、および第１コンデンサ６の電圧指令値Ｖｄｃ＊から、両者の偏差を演算して比例積分制御器（ＰＩ制御器）にて比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、交流電流指令値Ｉａｃ＊を出力する。交流電流指令値Ｉａｃ＊に交流電圧ＶａｃからＰＬＬ（Ｐｈａｓｅｄ  ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路を介して得たＰＬＬ波形を乗算し、交流電流指令値の瞬時値ｉａｃ＊を求め、検出した交流電流ｉａｃとの偏差を比例制御器（Ｐ制御器）で比例制御（Ｐ制御）する。ここで、ＦＦＤｕｔｙ演算器２１で求められる理論デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣＦＦを加算することで、力率制御デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣを演算する。その後、Ｄｕｔｙ合算器２２において第２コンデンサ電圧制御器１１で演算して出力される制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂと加算、あるいは減算を行い、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとしてゲート信号生成器１６に出力する。
【００４６】
ＦＦＤｕｔｙ演算器２１では、動作範囲判定器２３で求めた動作範囲条件に応じて演算する式を選択する。また、連続ＳＷ制御器１３では、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒは固定値となるため、ユーザが設定した周波数のノコギリ波、あるいは三角波となる。また、ＦＦＤｕｔｙ演算器２１では、１スイッチング周期内で交流電流ｉａｃが２回増減を行い、第２コンデンサ４が充電と放電を１回ずつ行うスイッチングパターンでの理論デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣＦＦを演算する。
【００４７】
フィードフォワード（ＦＦ；Ｆｅｅｄ  Ｆｏｒａｗｄ）制御を制御デューティに加えることで、高力率制御の応答性を向上させることが可能となる。この実施の形態１の電力変換装置１００では動作範囲に応じて制御デューティを切り替える動作を行うため、フィードフォワード制御を入れることで切り替え時の急峻な変化を抑制できる。
【００４８】
この実施の形態１の電力変換装置１００における理論デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣＦＦの１例を下記の式（３）から式（６）に示す。また、図１３Ａ、Ｂ、Ｃにこの実施の形態１の各動作範囲Ｒ１〜Ｒ３におけるスイッチングパターンを示す。
【００４９】
図１３Ａの動作範囲Ｒ１では、パターンＡ１、Ｂ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１の５つがあり、図１３Ｂの動作範囲Ｒ２では、パターンＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｆ２の５つがある。また、図１３Ｃの動作範囲Ｒ３では、パターンＡ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｆ３の４つがある。
【００５０】
式（３）は図４を参照して動作範囲Ｒ１のパターンＡ１とＥ１で構成される動作、式（４）は図４を参照して動作範囲Ｒ１のパターンＡ１とＦ１で構成される動作、式（５）は図４を参照して動作範囲Ｒ２のパターンＣ２とＤ２で構成される動作、式（６）は図４を参照して動作範囲Ｒ２のパターンＢ２とＤ２で構成される動作となる。
なお、スイッチングパターンは、１スイッチング周期内で交流電流ｉａｃが２回増減を行い、第２コンデンサ４が充電と放電を１回ずつ行うものであれば何でもよい。
【００５１】
ＤｕｔｙＰＦＣＦＦ１＝（Ｖｓｕｂ−Ｖａｃ）／Ｖｓｕｂ        （３）
ＤｕｔｙＰＦＣＦＦ２＝（Ｖｄｃ−Ｖａｃ−Ｖｓｕｂ）／（Ｖｄｃ−Ｖｓｕｂ）（４）
ＤｕｔｙＰＦＣＦＦ３＝（Ｖｄｃ−Ｖａｃ）／Ｖｓｕｂ          （５）
ＤｕｔｙＰＦＣＦＦ４＝（Ｖｄｃ−Ｖａｃ）／（Ｖｄｃ−Ｖｓｕｂ）      （６）
【００５２】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、図１２の連続ＳＷ制御器１３を構成するＤｕｔｙ合算器２２の動作説明に供する図である。
Ｄｕｔｙ合算器２２では、前述の演算で得られた力率制御デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣと第２コンデンサ電圧制御器１１で演算された制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂとを加減算し、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとして次段のゲート信号生成器１６に出力する。
【００５３】
動作範囲判定器２３では、検出してきた交流電圧Ｖａｃ、第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃ、第２コンデンサ４の電圧Ｖｓｕｂの大小関係からＲ１からＲ３の動作を判定し、ＦＦＤｕｔｙ演算器２１に信号を出力する。
【００５４】
図１４Ａには動作範囲Ｒ１の動作例を、図１４Ｂには動作範囲Ｒ２の動作例を示す。図のようなタイミングで力率制御デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣと制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂを足し引きすることで、１スイッチング周期におけるＤｕｔｙＰＦＣの変化量を変えず、第２コンデンサ４の充放電量を可変し、第２コンデンサ４の電圧を一定に制御することが可能となる。
【００５５】
連続ＳＷ制御では、数ｋＨｚ以上のスイッチング動作により制御を行うため、昇圧比を大きくとることが可能であり、第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃを高昇圧化できる。負荷７がインバータとモータおよび圧縮機で構成される場合には、第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃが高いほど、インバータの変調率を上げることができ、インバータあるいはモータ・圧縮機の損失を低減でき、システムとして高効率化が実現できる。
【００５６】
図１５は、簡易ＳＷ昇圧制御器１４のブロック図である。
簡易ＳＷ昇圧制御器１４は、制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌとして、昇圧簡易スイッチング動作に対応した信号が入力された場合に動作する。
【００５７】
簡易ＳＷ昇圧制御器１４は、センサで検出した第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃ、および第１コンデンサ６の電圧指令値Ｖｄｃ＊から、両者の偏差を演算し、比例積分器（ＰＩ器）で比例積分制御（ＰＩ制御）を行った後に規格化することで、出力電圧Ｖｄｃを制御するのに必要となるデューティ比を演算する。
【００５８】
すなわち、まず、オン時間演算器２４は、デューティ比から交流半周期におけるオン時間Ｔｏｎを演算し、その内、動作範囲Ｒ１での割合分ＴＳＷ１を、ゲインＫと動作範囲Ｒ１のＳＷ回数を掛ることで導出する。ここで、ゲインＫは０から１の範囲で、力率を考慮しながらユーザが任意に設定する。なお、事前にテーブルを持って置き、負荷条件に応じて可変してもよい。
ＳＷキャリア演算器Ａ２５は、動作範囲Ｒ１でのキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１、および動作範囲Ｒ２でのキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ２を生成し、ゲート信号生成器１６に出力する。なお、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１およびＣａｒｒｉｅｒ２は、ノコギリ波でも三角波でもよい。
【００５９】
ここで、ＳＷキャリア演算器Ａ２５に入力される動作範囲Ｒ１のスイッチング数Ｎ１は、入力電力に応じてマルチプレクサ（ＭＵＸ）で「０」か「１」かを判定する。入力電力が所定の値以上の場合、動作範囲Ｒ１でスイッチングを行わないと力率が悪化し、回路損失が低下する。スイッチング回数Ｎ１が「０」の場合、図６で示した動作となり、「１」の場合、図５で示した動作となる。動作範囲Ｒ２のスイッチング回数Ｎ２、およびディレイ時間Ｔｄｌ２は、力率を考慮しながらユーザが任意に設定する。なお、事前にテーブルを持って置き、負荷条件に応じて可変してもよい。
【００６０】
簡易ＳＷ昇圧制御動作では、動作範囲Ｒ１のデューティ比は、その動作範囲の割合ＴＳＷ１およびそのキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１から求めることができ、動作範囲Ｒ２のデューティ比は、Ｄｕｔｙ合算器２２において固定値０．５となる力率制御デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣ、およびその制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂを加算、あるいは減算したデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとしてゲート信号生成器１６に出力する。Ｄｕｔｙ合算器２２の動作は、連続ＳＷ制御のものと同様となる。なお、図１５において、ＭＵＸはマルチプレクサを表している。
【００６１】
図１６は、簡易ＳＷ昇圧制御器１４を構成するＳＷキャリア演算器Ａ２５のブロック図である。
ＳＷキャリア演算器Ａ２５は、動作範囲Ｒ１・ＳＷキャリア演算器Ａ２６、および動作範囲Ｒ２・ＳＷキャリア演算器Ａ２７からなる。そして、ＳＷキャリア演算器Ａ２５は、各動作範囲Ｒ１、Ｒ２のスイッチング回数Ｎ１、Ｎ２、および動作範囲Ｒ２におけるスイッチングディレイ時間Ｔｄｌ２に基づいて各動作範囲Ｒ１、Ｒ２でのキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１およびキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ２を生成する。
すなわち、動作範囲Ｒ１・ＳＷキャリア演算器Ａ２６は、動作範囲Ｒ１のスイッチング周期Ｔ１を求め、その後、周期をノコギリ波、あるいは三角波へと変更し、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１として出力する。スイッチング周期Ｔ１は、下記の式（７）の演算を行うことで算出される。ここでＮ１は動作範囲Ｒ１で行うスイッチング回数であり、「０」か「１」である。
【００６２】
Ｔ１＝Ｎ１／ω・ａｒｃｓｉｎ（Ｖｓｕｂ＊／√２Ｖａｃ）      （７）
【００６３】
また、動作範囲Ｒ２・ＳＷキャリア演算器Ａ２７では、動作範囲Ｒ２におけるスイッチング周期ＴＳＷ２を下記の式（８）にて求め、ＳＷキャリアに変更する。その後、ユーザが設定した動作範囲Ｒ２のディレイ時間Ｔｄｌ２を入れたＳＷキャリアをキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ２として出力する。ここで、Ｎ２は動作範囲Ｒ２で行うスイッチング回数であり、「１」以上の整数である。
【００６４】
ＴＳＷ２＝２・（Ｔｏｎ−ＴＳＷ１）／Ｎ２                    （８）
【００６５】
簡易ＳＷ昇圧制御は、連続ＳＷ動作よりもスイッチング回数が圧倒的に少ないため、昇圧比が低くなる。そのため、電力変換装置の負荷条件として低昇圧条件の場合に選択される制御となる。また、簡易ＳＷ昇圧制御では交流半周期においてＳＷ回数が数回のみとなるため、半導体素子ならびにリアクトルの損失を大幅に低減することができる。
【００６６】
図１７は、簡易ＳＷ降圧制御器１５のブロック図である。
簡易ＳＷ降圧制御器１５は、制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌとして、降圧簡易スイッチング動作に対応した信号が入力された場合に動作する。
【００６７】
簡易ＳＷ降圧制御器１５は、検出した第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃおよび第１コンデンサ６の電圧指令値Ｖｄｃ＊から、両者の偏差を演算し、比例積分器（ＰＩ制御器）で比例積分制御（ＰＩ制御）を行った後に規格化することで、出力電圧Ｖｄｃを制御するのに必要となるデューティ比を演算する。その後、連続ＳＷ制御器１３と同様に、ＦＦＤｕｔｙ演算器２１から得られる理論デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣＦＦを加算することで、力率制御デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣを求める。そして、力率制御デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣと制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂをＤｕｔｙ合算器２２で加減算し、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとしてゲート信号生成器１６に出力する。
Ｄｕｔｙ合算器２２の動作は、連続ＳＷ制御器１３と同様となるため省略する。
【００６８】
ＳＷキャリア演算器Ｂ２８は、第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃ、交流電圧Ｖａｃ、後述の動作範囲Ｒ１のスイッチング判定信号Ｓｊ１、および動作範囲Ｒ３のスイッチング回数Ｎ３を用いて、各動作範囲におけるキャリア信号を演算し、動作範囲判定器２３からの出力信号を用いて、マルチプレクサ（ＭＵＸ）各動作範囲におけるキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒをゲート信号生成器１６に出力する。
【００６９】
ここで、動作範囲Ｒ１のスイッチング判定信号Ｓｊ１は、第１コンデンサ６の電圧指令値Ｖｄｃ＊に応じてマルチプレクサ（ＭＵＸ）で「０」か「１」かを判定したものであり、動作範囲Ｒ１でスイッチングするモードと、スイッチングしないモードを切り替える。上記電圧指令値Ｖｄｃ＊が所定の値以下の場合、動作範囲Ｒ１でスイッチングを行わないと、電圧一定制御の悪化が発生する。スイッチング判定信号Ｓｊ１が「０」の場合、図８で示した動作となり、「１」の場合は、図７で示した動作となる。動作範囲Ｒ３のスイッチング回数Ｎ３は、力率考慮しながらユーザが任意に設定する。なお、事前にテーブルを持って置き、負荷条件に応じて可変してもよい。
【００７０】
図１８は、簡易ＳＷ降圧制御器１５を構成するＳＷキャリア演算器Ｂ２８のブロック図である。
ＳＷキャリア演算器Ｂ２８は、動作範囲Ｒ１・ＳＷキャリア演算器Ｂ２９、動作範囲Ｒ２・ＳＷキャリア演算器Ｂ３０、および動作範囲Ｒ３・ＳＷキャリア演算器３１からなる。そして、動作範囲Ｒ１のスイッチング判定信号Ｓｊ１、および動作範囲Ｒ３のスイッチング回数Ｎ３に基づいてキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ２、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ３をそれぞれ生成する。
【００７１】
すなわち、動作範囲Ｒ１・ＳＷキャリア演算器Ｂ２９は、動作範囲Ｒ１の周期Ｔ１およびスイッチング周期ＴＳＷ１を求め、その後、周期をノコギリ波、あるいは三角波へと変更し、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ１として出力する。上記の周期Ｔ１は下記の式（９）で、またスイッチング周期ＴＳＷ１は、下記の式（１０）の演算を行って求める。ここで、Ｓｊ１は動作範囲Ｒ１のスイッチング判定信号であり、「０」または「１」となる。Ｎ３は動作範囲Ｒ３のスイッチング回数であり、動作範囲Ｒ１でスイッチングを行う場合は「４」の倍数の整数、動作範囲Ｒ１でスイッチングを行わない場合は「２」の倍数の整数である。
【００７２】
Ｔ１＝１／ω・ａｒｃｓｉｎ（Ｖｓｕｂ＊／√２Ｖａｃ）      （９）
ＴＳＷ１＝Ｓｊ１・Ｎ３／４・Ｔ１                        （１０）
【００７３】
また、動作範囲Ｒ２・ＳＷキャリア演算器Ｂ３０は、動作範囲Ｒ２の周期Ｔ２およびスイッチング周期ＴＳＷ２を求め、その後、周期をノコギリ波、あるいは三角波へと変更し、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ２として出力する。周期Ｔ２は、下記の式（１１）で求め、また、スイッチング周期ＴＳＷ２は、下記の式（１２）、あるいは式（１３）の演算を行って求める。ここで、式（１２）は動作範囲Ｒ１のスイッチング判定信号が「１」の場合に用いるものであり、式（１３）は動作範囲Ｒ１のスイッチング判定信号が「０」の場合に用いるものである。
【００７４】
Ｔ２＝１／ω・ａｒｃｓｉｎ（Ｖｄｃ／√２Ｖａｃ）−Ｔ１  （１１）
ＴＳＷ２＝Ｎ３／４・Ｔ２                                （１２）
ＴＳＷ２＝Ｎ３／２・Ｔ２                                （１３）
【００７５】
また、動作範囲Ｒ３・ＳＷキャリア演算器Ｂ３１は、動作範囲Ｒ３のスイッチング周期ＴＳＷ３を求め、その後、周期をノコギリ波、あるいは三角波へと変更し、キャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒ３として出力する。スイッチング周期ＴＳＷ３は、下記の式（１４）の演算を行って求める。
【００７６】
ＴＳＷ３＝｛１／（２・ｆａｃ）−２・（Ｔ１＋Ｔ２）｝／Ｎ３（１４）
【００７７】
簡易ＳＷ降圧制御では、簡易ＳＷ昇圧制御と同様に、交流半周期においてスイッチング回数が数回のみとなるため、半導体素子およびリアクトルの損失を大幅に低減することができる。
【００７８】
ゲート信号生成器１６は、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとキャリア信号ＣａｒｒｉｅｒからＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりゲートパルスを演算し、各動作範囲に応じたゲート信号を単相インバータ３の半導体スイッチング素子３ａ〜３ｄと単相コンバータ５の半導体スイッチング素子５ａ〜５ｄに出力する。
【００７９】
以上のように、この実施の形態１では、負荷状態に応じて、交流半周期中に一定スイッチング周波数で力率および電圧制御する連続ＳＷ制御、交流半周期中に数回のスイッチングのみで力率および電圧制御する簡易ＳＷ昇圧制御、および簡易ＳＷ降圧制御を選択して動作させることで、第２コンデンサ４の容量は、従来技術同様に小容量のものを採用しながら、従来技術に比べて広範囲で回路損失を低減することが可能となる。
【００８０】
実施の形態２．
図１９は、実施の形態２による電力変換装置２００を示す回路図、図２０はこの電力変換装置２００における制御器３２のブロック図であり、実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符合を付す。
【００８１】
この実施の形態２の電力変換装置２００の主回路構成は、実施の形態１の電力変換装置１００と基本的に同じである。また、制御器３２の構成要素についても、実施の形態１の制御器８と同様であるが、制御器３２を構成する制御動作判定器３３が実施の形態１の場合と異なっている。したがって、制御動作判定器３３以外の構成部分については、ここでは詳しい説明は省略する。
【００８２】
図２１は、制御動作判定器３３のブロック図である。
制御動作判定器３３は、交流電圧Ｖａｃと出力電圧Ｖｄｃの大小関係、および出力電圧Ｖｄｃの大きさに応じて、主制御器１２で行う制御を選択するための制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌ（図２１ではＳＳと略している）を出力する。
【００８３】
すなわち、制御動作判定器３３は、交流電圧Ｖａｃと出力電圧Ｖｄｃが入力され、領域判定器１７において、交流電圧Ｖａｃに対して出力電圧Ｖｄｃが昇圧なのか、あるいは降圧なのかを判定する。また、ＳＷ動作判定器３４において、出力電圧Ｖｄｃに対してユーザが事前に定めた値との比較を行い、連続ＳＷ動作か、簡易ＳＷ降圧動作か、あるいは簡易ＳＷ昇圧動作かを判定する。各信号の合算により得られる制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌを主制御器１２に出力する。
【００８４】
なお、制御動作判定器３３以外の構成部分の動作については、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明は省略する。また、電力変換装置３００の主な動作は、実施の形態１による電力変換装置１００と同様となるため、説明は省略する。
【００８５】
以上より、この実施の形態２による電力変換装置２００は、制御動作判定器３３による制御動作の判定を出力電圧Ｖｄｃに基づいて行うため、同じ電力条件下で出力電圧Ｖｄｃを可変する動作を行う電力変換装置に対して、有効な効果を発揮することができる。
【００８６】
実施の形態３．
図２２は、この実施の形態３による電力変換装置３００を示す回路図であり、実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符合を付す。
【００８７】
この実施の形態３の特徴は、実施の形態１と比較すると、単相コンバータ５の構成が異なっていることである。すなわち、この実施の形態３の単相コンバータ５は、ダイオード５ａａと半導体スイッチング素子５ｂとが直列接続されてなる第３レグと、ダイオード５ｃｃと半導体スイッチング素子５ｄとが直列接続されてなる第４レグを備え、これら第３レグおよび第４レグが互いに並列に接続されているものである。
【００８８】
そして、単相コンバータ５の第３レグの中点と単相インバータ３の第２レグの中点とが接続され、単相コンバータ５の第４レグの中点と交流電源１のＮ母線とが接続されている。また、第１コンデンサ６は、単相コンバータ５の第３レグと第４レグの上端と負荷７とが、そのＰ側端子に接続され、単相コンバータ５の第３レグと第４レグの下端と負荷７とが、そのＮ側端子に接続されている。
【００８９】
制御器３５の構成は、前記実施の形態１による電力変換装置１００の制御器８の構成を採用してもよく、前記実施の形態２による電力変換装置２００の制御器３２の構成を採用してもよい。
【００９０】
なお、その他の構成部分は、実施の形態１と同じであるので、ここでは詳しい説明は省略する。また、電力変換装置３００の主な動作は、実施の形態１による電力変換装置１００と同様となる。さらに、制御器３５の動作は、実施の形態１の制御器８、もしくは、実施の形態２の制御器３２と同様の動作となるため、説明は省略する。
【００９１】
以上のように、この実施の形態３による電力変換装置３００は、単相コンバータ５の上アームにダイオード５ａａ、５ｃｃが使用されているので、同期整流動作が不可能となるが、スイッチング時のリカバリ特性が向上するため、スイッチング損失の低減、ならびに回路の安定駆動が可能となる。
【００９２】
実施の形態４．
図２３は、実施の形態４による電力変換装置４００の回路図であり、実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態４の電力変換装置４００は、単相の交流電源１の交流電圧、交流電力を直流電圧、直流電力に変換して負荷７に出力するための主回路、および制御器３７を備える。そして、主回路は、交流電源１と第１コンデンサ６との間に互いに直列に接続された単相インバータ３、単相コンバータ５、ダイオードブリッジ３６、およびリアクトル２から構成されている。
【００９３】
上記の単相インバータ３は、ダイオード３ａａと半導体スイッチング素子３ｂとが直列接続された第１レグ、および半導体スイッチング素子３ｃとダイオード３ｄｄとが直列接続された第２レグ、および第１レグおよび第２レグの間にあって第１レグおよび第２レグに並列に接続された第２コンデンサ４を備える。
【００９４】
また、単相コンバータ５は、ダイオード５ａａと半導体スイッチング素子５ｂとが直列接続された第３レグと、ダイオード５ｃｃとダイオード５ｄｄとが直列接続された第４レグを備え、第３レグと第４レグとが互いに並列に接続されて構成されている。
【００９５】
ダイオードブリッジ３６は、交流電源１とリアクトル２の間に接続されている。また、リアクトル２は、ダイオードブリッジ３６の上側の出力端子と単相インバータ３の第１レグの中点との間に接続されている。
【００９６】
そして、単相コンバータ５の第３レグの中点と単相インバータ３の第２レグの中点が接続され、単相コンバータ５の第４レグの中点とダイオードブリッジ３６の下側出力端子とが接続されている。また、第１コンデンサ６は、単相コンバータ５の第３レグと第４レグの上端と負荷７とが、そのＰ側端子に接続され、単相コンバータ５の第３レグと第４レグの下端と負荷７とが、そのＮ側端子に接続されている。
【００９７】
なお、単相インバータ３および単相コンバータ５に用いられる半導体スイッチング素子は、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ソース・ドレイン間にダイオードが接続されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはカスコード型のＧａＮ−ＨＥＭＴ（Ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｈｉｇｈ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることが好ましい。また、帰還ダイオードはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、あるいはＧａＮ−ＨＥＭＴに内蔵されたダイオードを用いても良く、外付けに別途ダイオードを設けても良い。
【００９８】
制御器３７の構成は、実施の形態１による電力変換装置１００の制御器８の構成を採用してもよく、実施の形態２による電力変換装置２００の制御器３２の構成を採用してもよい。
【００９９】
なお、その他の構成部分は、実施の形態１と同じであるので、ここでは詳しい説明は省略する。また、電力変換装置４００の主な動作は、実施の形態１による電力変換装置１００と同様となる。さらに、制御器３７の動作は、実施の形態１の制御器８、もしくは、実施の形態２の制御器３２と同様の動作となるため、説明は省略する。
【０１００】
以上のように、この実施の形態４による電力変換装置４００は、ダイオードブリッジ３６を追加することにより、先の実施の形態１〜３よりも半導体スイッチング素子の数を減らすことができる。そのため、比較的安価に回路を構成することが可能となる。
【０１０１】
実施の形態５．
図２４は、実施の形態５による電力変換装置５００の回路図であり、実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符合を付す。
【０１０２】
この実施の形態５の電力変換装置５００は、単相の交流電源１の交流電圧、交流電力を直流電圧、直流電力に変換して負荷７に出力するための主回路、および制御器４０で構成される。
【０１０３】
主回路は、交流電源１と第１コンデンサ６との間に、リアクトル２、ダイオード整流レグ３８、マルチレベル駆動レグ３９が順次接続されるとともに、第２コンデンサ４を備えている。
【０１０４】
ダイオード整流レグ３８は、一対のダイオード３８ａ、３８ｂが直列に接続されて構成されている。また、マルチレベル駆動レグ３９は、半導体スイッチング素子３９ａ〜３９ｄの４素子が直列に接続されて構成されている。そして、一対の半導体スイッチング素子３９ａ、３９ｂの互いの接続点と、一対の半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄの互いの接続点との間に第２コンデンサ４が接続されている。
【０１０５】
リアクトル２は、交流電源１のＰ母線とダイオード整流レグ３８の中点との間に接続されている。また、ダイオード整流レグ３８の上端とマルチレベル駆動レグ３９の上端とが第１コンデンサ６のＰ側端子に接続され、ダイオード整流レグ３８の下端とマルチレベル駆動レグ３９の下端とが第１コンデンサ６のＮ側端子に接続されている。
また、マルチレベル駆動レグ３９の上側アームの一対の半導体スイッチング素子３９ａ、３９ｂと、下側アームの一対の半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄの互いの接続点に交流電源１のＮ母線が接続されている。
【０１０６】
なお、マルチレベル駆動レグ３９に用いられる半導体スイッチング素子３９ａ〜３９ｄは、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ソース・ドレイン間にダイオードが接続されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはカスコード型のＧａＮ−ＨＥＭＴ（Ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｈｉｇｈ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることが好ましい。また、帰還ダイオードはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、あるいはＧａＮ−ＨＥＭＴに内蔵されたダイオードを用いても良く、外付けに別途ダイオードを設けても良い。
【０１０７】
交流電源１の交流電圧Ｖａｃ、第１コンデンサ６の電圧Ｖｄｃ、第２コンデンサ４の電圧Ｖｓｕｂが、それぞれ電圧センサ（図示省略）により検出されて制御器４０に入力される。さらに、交流電源１の交流電流ｉａｃが電流センサ（図示省略）により検出されて、制御器４０に入力される。
【０１０８】
制御器４０は、上記センサで検出されて入力される負荷情報（電圧情報および電流情報）に基づいて、マルチレベル駆動レグ３９のゲート信号Ｇ３９ａ、Ｇ３９ｂ、Ｇ３９ｃ、Ｇ３９ｄを生成して電力変換装置５００を制御する。
【０１０９】
図２５は、実施の形態５による制御器のブロック図であり、前述の実施の形態１と対応、もしくは相当する構成部分には同一の符合を付す。
【０１１０】
制御器４０は、制御動作判定器９、第２コンデンサ電圧制御器１１、主制御器４１、およびゲート信号生成器１６で構成される。
【０１１１】
ここに、主制御器４１は、連続ＳＷ制御器１３、および簡易ＳＷ昇圧制御器１４の２つで構成される。主制御器４１は、制御動作判定器９から入力されるＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌ（図ではＳＳと略す）によって、上記の２つの制御器１３、１４の内、いずれの制御器で制御を行うかを決定する。そして、前述のセンサで検出された電圧情報および電流情報Ｖａｃ、Ｖｄｃ、Ｖｓｕｂ、ならびに第２コンデンサ電圧制御器１１で演算された制御信号ＤｕｔｙＶｓｕｂの信号に基づいて、力率制御および電圧制御を担うデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌ、およびこのデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとの比較を行うキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒを生成する。
【０１１２】
ゲート信号生成器４２は、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌおよびキャリア信号ＣａｒｒｉｅｒからＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりゲート信号を演算し、マルチレベル駆動レグ３９の半導体スイッチ素子３９ａ〜３９ｄの各ゲートをＯＮ／ＯＦＦするゲート信号を出力する。
【０１１３】
次に、この実施の形態５による電力変換装置５００の動作を説明する。
電力変換装置５００は、交流電源１から入力される交流電流ｉａｃをマルチレベル駆動レグ３９によりスイッチングすることでリアクトル２に流れる交流電流ｉａｃを高力率に制御しながら電圧を昇圧し、第１コンデンサ６により電力を平滑して負荷７に直流電力を供給する。
【０１１４】
この実施の形態５の動作は、実施の形態１の場合とは異なり、主制御器４１において、連続ＳＷ制御、および簡易ＳＷ昇圧制御の２つの制御動作となる。よって、各電圧の関係図は、図３Ａの場合のみとなる。なお、この実施の形態５では、降圧動作が存在しないため、第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊は、常にＶｓｕｂ＊＝Ｖｄｃ＊／２の関係となる。
【０１１５】
図２６は、連続ＳＷ動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
連続ＳＷ制御では、数ｋＨｚ以上のスイッチング周波数でゲート駆動する動作となり、交流電流ｉａｃは力率「１」に近い正弦波状の波形となる。図２６に、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２での１スイッチング周期におけるゲート信号波形をそれぞれ示す。
【０１１６】
図２６において、正の半周期では、マルチレベル駆動レグ３９の上側アームの半導体スイッチング素子３９ａ、３９ｂがスイッチングを行い、下側アームの半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄは並列ダイオードを通流する動作となる。また、負の半周期では、上側アームの半導体スイッチング素子３９ａ、３９ｂの動作と、下側アームの半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄの動作が正の半周期の場合と反転する。なお、並列ダイオードを通流する動作時に半導体スイッチング素子をＯＮすることで、同期整流動作としてもよい。
【０１１７】
このようにマルチレベル駆動レグ３９の半導体スイッチング素子３９ａ〜３９ｄをスイッチングすることで、各素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁と消磁を行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行われる。これにより、第２コンデンサ４はスイッチング周期の時定数で充放電が行われるため、小容量のもので構成できる。また、連続ＳＷ制御の効果は、先の実施の形態１で説明した通りであるので省略する。
【０１１８】
なお、図２６に示したゲート信号のパターンは一例であり、各半導体スイッチング素子３９ａ〜３９ｄが１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁と消磁を行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行う動作となるパターンであれば良く、図２６のパターンに限定されない。
【０１１９】
図２７および図２８は簡易ＳＷ昇圧動作時の主動作波形と各動作範囲におけるスイッチングパターンである。
簡易ＳＷ昇圧制御では、交流半周期内で数回のみスイッチングする動作となり、スイッチング回数が連続ＳＷ制御よりも少ないために力率は低下するが、高周波駆動に伴う損失は大幅に低減できる。
【０１２０】
簡易ＳＷ昇圧制御では、入力電力と力率の条件に応じて動作範囲Ｒ１でスイッチングする動作と、スイッチングしない動作を選択することができる。図２７は動作範囲Ｒ１でスイッチングする場合の動作を示す図であり、図２８は動作範囲Ｒ１でスイッチングしない場合の動作を示す図である。電力が小さい場合、動作範囲Ｒ２のみのスイッチングで十分力率を確保できるが、電力が大きくなった場合には、動作範囲Ｒ２のみでは電流ピークが増大し、力率の悪化および損失の増加が引き起こされる。
【０１２１】
簡易ＳＷ昇圧制御の場合においても、正の半周期では、マルチレベル駆動レグ３９の上側アームの半導体スイッチング素子３９ａ、３９ｂがスイッチングを行い、下側アームの半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄは並列ダイオードを通流する動作となる。負の半周期では、上側アームの半導体スイッチング素子３９ａ、３９ｂの動作と、下側アームの半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄの動作が正の半周期の場合と反転する。なお、並列ダイオードを通流する動作時に半導体スイッチング素子をＯＮすることで、同期整流動作としてもよい。
【０１２２】
簡易ＳＷ昇圧制御では、動作範囲Ｒ１と動作範囲Ｒ２で、ユーザが指定したスイッチング回数で出力電圧Ｖｄｃが指令値に追従するようなオン時間だけゲート信号をＯＮする動作となる。指定回数分をスイッチングした後は、第２コンデンサ４で充放電が発生しないように、交流電源１と負荷７をつなぐ経路を形成し、リアクトル２と第１コンデンサ６との自由共振動作となる。
【０１２３】
なお、図２７、図２８に示したゲート信号のパターンは１例であり、各素子が１回スイッチングを行う間にリアクトル２が２回励磁と消磁を行い、第２コンデンサ４の充放電がそれぞれ１回行う動作となるパターンであれば良く、図２７、図２８に示したパターンに限定されない。また、ユーザが設定するスイッチング回数は何回でもよく、スイッチング回数が多ければ力率が「１」に近づくが、回路損失は増加するというトレードオフの関係が成り立つ。
【０１２４】
次に、この実施の形態５による制御器４０の動作を説明する。なお、この実施の形態５において、実施の形態１と対応する符合の構成部分は動作が同じとなるため、説明は省略する。
【０１２５】
この実施の形態５では、実施の形態１に比べると降圧条件が存在しないため、第２コンデンサ４の電圧指令値Ｖｓｕｂ＊は、常にＶｓｕｂ＊＝Ｖｄｃ＊／２の関係式となる。
制御器４０において、制御動作の判定は、実施の形態１の制御動作判定器９を用いてもよく、あるいは実施の形態２の制御動作判定器３３を用いても良い。
【０１２６】
主制御器４１は、連続ＳＷ制御器１３、および簡易ＳＷ昇圧制御器１４の２つで構成され、制御動作判定器９から出力される制御選択信号ＳｅｌｅｃｔＳｉｇｎａｌ（図ではＳＳと略す）に基づいて２つの動作を切り替えながら、各動作に対応したデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌ、およびこのデューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとの比較を行うキャリア信号Ｃａｒｒｉｅｒを生成し、次段のゲート信号生成器１６に出力する。
【０１２７】
この実施の形態５の各動作範囲Ｒ１、Ｒ２におけるスイッチングパターンを図２９に示す。
動作範囲Ｒ１では、パターンＡ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１の４つがあり、動作範囲Ｒ２では、パターンＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２の４つがある。前述の実施の形態１と同様に、スイッチングパターンの組み合わせによって理論デューティ比ＤｕｔｙＰＦＣＦＦを演算する。
【０１２８】
ゲート信号生成器４２では、デューティ比信号Ｄｕｔｙｔｏｔａｌとキャリア信号ＣａｒｒｉｅｒとからＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりゲートパルスを演算し、各動作範囲に応じたゲート信号をマルチレベル駆動レグ３９の半導体スイッチング素子３９ａ〜３９ｄに出力する。
【０１２９】
以上のように、この実施の形態５による電力変換装置５００は、制御器４０によってマルチレベル駆動レグ３９の半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、前述の実施の形態１と同様に、第２コンデンサ４の容量を従来技術と同様な小容量のものを採用しながら、従来技術に比べて広範囲で回路損失を低減することが可能となる。また、実施の形態１と比べて降圧動作ができなくなる代わりに、部品点数を低減できるため、低コストかつ低損失を実現できる。
【０１３０】
実施の形態６．
図３０は、この実施の形態６による電力変換装置６００の回路図であり、実施の形態５と対応もしくは相当する構成部分には同一の符合を付す。
【０１３１】
この実施の形態６の電力変換装置６００は、主回路の構成が実施の形態５の場合と少し異なっている。すなわち、この実施の形態６において、主回路は、交流電源１と第１コンデンサ６との間に、ダイオードブリッジ３６、リアクトル２、マルチレベル駆動レグ３９が順次接続されるとともに、第２コンデンサ４を備えている。
【０１３２】
マルチレベル駆動レグ３９は、上側アームの一対のダイオード４０ａ、４０ｂ、および下側アームの一対の半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄの４素子が直列に接続されて構成されている。そして、上側アームの一対のダイオード４０ａ、４０ｂの互いの接続点と、下側アームの一対の半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄの互いの接続点との間に第２コンデンサ４が接続されている。
【０１３３】
リアクトル２は、ダイオードブリッジ３６の上端とマルチレベル駆動レグ３９の中点との間に接続されている。マルチレベル駆動レグ３９の上端が第１コンデンサ６のＰ側端子に接続され、またマルチレベル駆動レグ３９の下端が第１コンデンサ６のＮ側端子に接続されている。
【０１３４】
なお、主回路のその他の構成部分については、実施の形態５の場合と同様であるため、ここでは説明は省略する。また、制御器４４の構成は、実施の形態５の場合と同じである。また、制御器４４の動作は、入力される負荷情報（電圧情報および電流情報）に基づいて、マルチレベル駆動レグ３９のゲート信号Ｇ３９ｃ、Ｇ３９ｄを生成して半導体スイッチング素子３９ｃ、３９ｄをＯＮ／ＯＦＦ制御する点も実施の形態５の場合と同様となるため、説明は省略する。
【０１３５】
以上のように、この実施の形態６による電力変換装置６００は、ダイオードブリッジ３６を追加することで、前述の実施の形態５よりも半導体スイッチング素子の数を減らすことができる。そのため、比較的安価に回路を構成することが可能となる。
【０１３６】
なお、前述の実施の形態における制御器８、３２、３５、３７、４０、４４は、ハードウエアの一例を図３１に示すように、プロセッサ１０００と記憶装置１０１０から構成される。記憶装置１０１０は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備える。
また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を備えてもよい。プロセッサ１０００は、記憶装置１０１０から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶措置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１０００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１０００は、演算結果等のデータを記憶装置１０１０の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
【０１３７】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１３８】
１００，２００，３００，４００，５００，６００  電力変換装置、１  交流電源、２  リアクトル、３  単相インバータ、４  第２コンデンサ、５  単相コンバータ、６  第１コンデンサ、７  負荷、８，３２，３５，３７，４０，４４  制御器、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ  半導体スイッチング素子、Ｇ３ａ，Ｇ３ｂ，Ｇ３ｃ，Ｇ３ｄ，Ｇ５ａ，Ｇ５ｂ，Ｇ５ｃ，Ｇ５ｄ，Ｇ３９ａ，Ｇ３９ｂ，Ｇ３９ｃ，Ｇ３９ｄ  ゲート信号、９，３３  制御動作判定器、１０  第２コンデンサ電圧指令値演算器、１１  第２コンデンサ電圧制御器、１２，４１  主制御器、１３  連続ＳＷ制御器、１４  簡易ＳＷ昇圧制御器、１５  簡易ＳＷ降圧制御器、１６，４２  ゲート信号生成器、１７  領域判定器、１８，３４  ＳＷ動作判定器、１９  動作範囲Ｒ３周期演算器、２０  Ｖｓｕｂｒｅｆ演算器、２１  ＦＦＤｕｔｙ演算器、２２  Ｄｕｔｙ合算器、２３  動作範囲判定器、２４  オン時間演算器、２５  ＳＷキャリア演算器Ａ、２６  動作範囲Ｒ１・ＳＷキャリア演算器Ａ、２７  動作範囲Ｒ２・ＳＷキャリア演算器Ａ、２８  ＳＷキャリア演算器Ｂ、２９  動作範囲Ｒ１・ＳＷキャリア演算器Ｂ、３０  動作範囲Ｒ２・ＳＷキャリア演算器Ｂ、３１  動作範囲Ｒ３・ＳＷキャリア演算器Ｂ、３ａａ，３ｄｄ，５ａａ，５ｃｃ，５ｄｄ，３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ  ダイオード、３６  ダイオードブリッジ、３８  ダイオード整流レグ、３９  マルチレベル駆動レグ、１０００  プロセッサ、１０１０  記憶装置。
【要約】
交流電源（１）と直流負荷（７）との間にリアクトル（２）、スイッチング素子（３ａ〜３ｄ、５ａ〜５ｄ）、第１のコンデンサ（６）、第２のコンデンサ（４）が設けられ、かつスイッチング素子（３ａ〜３ｄ、５ａ〜５ｄ）の動作を制御する制御器（８）を備え、制御器（８）は第１のコンデンサ（６）の電圧および第２のコンデンサ（４）の電圧を予め設定された指令値に制御しながら、直流負荷（７）に対する負荷情報に応じて、交流電源（１）の交流周期間で、スイッチング素子（３ａ〜３ｄ、５ａ〜５ｄ）を一定のスイッチング周波数で制御する第１の制御方式と、第１の制御方式のスイッチング周波数よりも低い周波数で制御する第２の制御方式とを切り替える。【図１】
0006968315.tif 000002
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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