CN104508966B - 功率变换器 - Google Patents

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Abstract

在可双向传输功率的功率变换器中维持软开关。具备：相桥(1)、与相桥(1)并联连接的相桥(2)、相桥(3)、与相桥(3)并联连接的相桥(4)、与相桥(1、2)并联连接的直流电压源(5)、与相桥(3、4)并联连接的直流电压源(6)以及连接在相桥(1、3)的连接端子之间的电感器(7)。相桥(2、4)的连接端子短路连接。相桥(1、2)的带有连接器的开关进行开关，以使一次电压波形每半周期经由零电压在相位期间γ交替重复直流电压源(5)的电压和反向电压；相桥(3、4)的带有连接器的开关进行开关，以使二次电压波形与一次电压波形相同的频率且相位比一次电压波形滞后(180度－控制角)地每半周期经由零电压在相位期间交替重复直流电压源(6)的电压和反向电压。

Description

功率变换器
相关申请的交叉引用
本申请主张于2012年7月30日提出申请的日本国专利申请2012-168644号的优先权，将此前申请的全部公开内容并入本文以作为参考。
技术领域
本发明涉及在两个直流电压源之间进行功率传输的功率变换器、在交流电压源与直流电压源之间进行功率传输的功率变换器，尤其涉及将开关元件开关时的电压或电流变为零的功率变换器。
背景技术
以往，已知有在两个直流电压间进行功率传输的功率变换器(例如，参照非专利文献1)。图8是表示在两个直流电压间进行功率传输的现有功率变换器的一例的电路图。图9是示出图8所示的功率变换器的工作波形的图。下面，参照图8以及图9，说明现有功率变换器的工作原理。将二极管反并联连接于能够开关单向电流的开关元件，电容器再并联连接于该开关元件的元件称为带有缓冲器的开关。通过将二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关21和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关22借助连接端子沿相同方向串联连接而构成相桥1。同样，由带有缓冲器的开关23和带有缓冲器的开关24构成相桥2，由带有缓冲器的开关25和带有缓冲器的开关26构成相桥3，由带有缓冲器的开关27和带有缓冲器的开关28构成相桥4。
直流电压源5的高电位侧连接于相桥1和相桥2的正极端子，直流电压源5的低电位侧连接于相桥1和相桥2的负极端子，从而由直流电压源5、相桥1以及相桥2构成桥式电路30。同样，直流电压源6的高电位侧连接于相桥3和相桥4的正极端子，直流电压源6的低电位侧连接于相桥3和相桥4的负极端子，从而由直流电压源6、相桥3以及相桥4构成桥式电路31。
外接电感器11和相桥2的连接端子连接于变压器8的初级绕组，外接电感器11的另一端与相桥1的连接端子连接。同样，外接电感器12和相桥4的连接端子连接于变压器8的次级绕组，外接电感器12的另一端与相桥3的连接端子连接。
所有带有缓冲器的开关都以占空比50％的相同频率进行开关的同时，带有缓冲器的开关22、24、26、28分别以经由带有缓冲器的开关21、23、25、27的空载时间的反转工作进行开关。
图9的电压V1是相桥1的连接端子相对于相桥2的连接端子的电压，通过带有缓冲器的开关21和带有缓冲器的开关24以相同定时接通、断开，交替地输出直流电压源5的电压E1和其反向电压－E1。同样，电压V2是相桥3的连接端子相对于相桥4的连接端子的电压，通过带有缓冲器的开关25和带有缓冲器的开关28以相同定时接通、断开，交替地输出直流电压源6的电压E2和其反向电压－E2。电压V1和电压V2如图9那样产生由传输功率P决定的相位差σ。从直流电压源5朝向直流电压源6的传输功率P使用相位差σ而由式(1)表示。在此，E1为直流电压源5的电压，E2为直流电压源6的电压，L为外接电感器11、12的电感与变压器8的漏感之和，ω＝2πf，f为开关频率。由式(1)可明显看出，若相位差σ为零，则传输功率P成为零。
公式1
关于电压V1从－E1向E1转换的图9的t1时点处的开关工作是，带有缓冲器的开关22关断，在经过空载时间段后带有缓冲器的开关21开通。由于带有缓冲器的开关22的两端的电压的上升率受到带有缓冲器的开关22的电容器C2抑制，因而带有缓冲器的开关22的关断能够以带有缓冲器的开关22的开关损耗为零的零电压开关方式关断。
如图9的t1时点那样，若在带有缓冲器的开关22关断了时电流I的极性为负，则电流I就向带有缓冲器的开关21的电容器C1和带有缓冲器的开关22的电容器C2分流，开始与电容器C1、C2、外接电感器11、12以及变压器8的漏感产生谐振。若电流I使电容器C2充电而对电容器C1放电，电容器C2的电压充电至E1为止而电容器C1的电压放电至零，则带有缓冲器的开关21的二极管D1导通。此时，如果电流I的绝对值比预定值Imin大，则就能够在空载时间段中电容器C1放电至零电压而使二极管D1导通。因此，在带有缓冲器的开关21开通时，能够在电流流到二极管D1的状态下开通，从而能够以开关损耗为零的零电压开关方式开通。在t1时点处，其他也是同样的现象，能够使带有缓冲器的开关23以零电压开关方式关断，带有缓冲器的开关24以零电压开关方式开通。在t2、t3、t4处也是同样的现象，能够进行零电压开关下的软开关。但是，在从t2至t4的各开关点处，必须在t2、t3处电流I的极性为正，在t4处极性为负，电流I的绝对值比预定值Imin大。
另外，以往，已知有在交流电压源与直流电压源之间进行功率传输的功率变换器(例如，参照专利文献1)。图10是表示了在三相交流电压源与直流电压源之间进行功率传输的现有功率变换器的一例的电路图。下面，说明图10的电路的工作原理。三相全桥变换器83借助交流电抗器(ACL)82与三相交流电压源80连接。另外，由于三相全桥变换器83的输出与电容器85连接，因此能够在与电容器85之间进行功率传输。但是，由于无法使电容器85的电压比三相交流电压源80的线间电压最大值低，因此使用升降压斩波器84而进行电容器85与直流电压源6之间的功率传输。也就是说，通过交流电抗器82、三相全桥变换器83、电容器85以及升降压斩波器84，实现三相交流电压源与任意电压的直流电压源之间的功率传输。
图11是表示了在单相交流电压源与直流电压源之间进行功率传输的现有功率变换器的一例的电路图。下面，说明图11的电路的工作原理。由全波整流器91进行整流并接通软开关93，由此单相交流电压源81的电压施加于电感器7。于是，由于电感器7的电流沿图的方向增加，因而单相交流电压源81的功率储存于电感器7。接着，软开关93断开。此时，由于软开关93的两端电压的上升率受到软开关93内的电容器的抑制，因而成为开关损耗为零的零电压开关。若软开关93内的电容器的电压上升至全波整流器91的输出电压与直流电压源6的电压之和，则二极管92接通而电感器7的电流流向直流电压源6，因此电感器7的功率传输至直流电压源6。此时，直流电压源6的电压以相反方向施加于电感器7，因而电感器7的电流减少，达到零。之后，再次接通软开关93。在该情况下，成为开关损耗为零的零电流开关。通过反复进行以上工作，从单相交流电压源81向直流电压源6在不产生开关损耗的前提下传输功率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本特开2003－348834号公报
非专利文献
非专利文献1：日本电学会论文杂志D Vol.127 No.2pp189－197
在图8所示的现有功率变换器中，要如上述那样带有缓冲器的开关21在图9的t1时点处以零电压开关方式开通，需电流I的极性为负，并且电流I的绝对值的大小必须为预定值Imin以上。由式(1)可知，若V1与V2的相位差σ小，则传输功率P就变小。根据图9，在相位差σ小的情况下，V1与V2的电位差变大的相位期间短，因此电流I的增减小，并且导致电流I的绝对值也变小。也就是说，若传输功率P小，则电流I的绝对值也小，尤其不会成为上述条件，因此不会成为软开关而产生开关损耗。即使电流I为负，在电流I的绝对值小于Imin的情况下，在空载时间段中带有缓冲器的开关21的电容器C1的放电也不会进行至零，导致在带有缓冲器的开关21的二极管D1导通之前带有缓冲器的开关21开通，会以带有缓冲器的开关21的电容器C1中积存有电荷的状态下的非完全零电压开关方式开通。另外，如果电流I的极性与条件不同，则就连带有缓冲器的开关21的电容器C1的放电工作也不进行，在C1中积存有电荷的状态下开通，因此产生开关损耗，不能进行软开关。
另外，对于图10所示的现有功率变换器，在三相全桥变换器83或升降压斩波器84的开关元件的开关时点上，开关元件的两端电压未必为零，或者流动的电流未必为零。因此，成为硬开关，具有产生大的电磁波噪声或开关损耗这样的问题。若成为硬开关，则在开关时点上电路内的电流或电压的时间变化率变得非常大，具有伴随着开关而产生大的电磁波噪声这样的问题。
另外，对于图11所示的现有功率变换器，虽然能够进行从单相交流电压源81向直流电压源6的功率传输，但是具有无法在维持软开关的情况下进行双向功率传输这样的问题。
发明内容
发明要解决的问题
鉴于这样的情况而做出的本发明的目的在于，提供一种能够在维持软开关的情况下于直流、三相交流或者单相交流的一次电压源与直流的二次电压源之间进行双向功率传输的功率变换器。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明的功率变换器是一种在直流电压源之间双向传输功率的功率变换器，该功率变换器具备：第一相桥、第二相桥、第三相桥以及第四相桥，该第一相桥、第二相桥、第三相桥以及第四相桥各自具有两个由电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件而构成的带有缓冲器的开关，并且二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接；第一直流电压源，其与所述第一相桥以及所述第二相桥并联连接；第二直流电压源，其与所述第三相桥以及所述第四相桥并联连接；以及电感器，其连接在所述第一相桥的连接端子与所述第三相桥的连接端子之间，所述第二相桥与所述第一相桥并联连接，所述第四相桥与所述第三相桥并联连接，所述第四相桥的连接端子与所述第二相桥的连接端子短路连接，对所述第一相桥的带有缓冲器的开关以及所述第二相桥的带有缓冲器的开关进行开关，以使一次电压波形每半周期经由零电压在相位期间γ交替重复所述第一直流电压源的电压和该电压的反向电压，该一次电压波形是所述第一相桥的连接端子相对于所述第二相桥的连接端子的电压波形，对所述第三相桥的带有缓冲器的开关以及所述第四相桥的带有缓冲器的开关进行开关，以使二次电压波形以与所述一次电压波形相同的频率且相位比所述一次电压波形滞后(180度－控制角δ)地每半周期经由零电压在相位期间γ交替重复所述第二直流电压源的电压和该电压的反向电压，该二次电压波形是所述第三相桥的连接端子相对于所述第四相桥的连接端子的电压波形。
并且，在本发明的功率变换器中，所述相位期间γ是将零以上的值作为截距的所述控制角δ的一次函数。
并且，在本发明的功率变换器中，使所述一次电压波形的角频率随所述直流电压源5的电压E1和所述直流电压源6的电压E2而变化。
并且，在本发明的功率变换器中，所述一次电压波形的角频率设为，使用所述第一直流电压源的电压E1、所述第二直流电压源的电压E2、最大传输功率Pm时的所述第一直流电压源的电压E1m、最大传输功率Pm时的所述第二直流电压源6的电压E2m以及最大传输功率Pm时的角频率ωm而通过下式算出的值：
并且，在本发明的功率变换器中，所述功率变换器具备变压器而代替所述电感器，所述第一相桥的连接端子和所述第二相桥的连接端子连接于所述变压器的初级绕组，所述第三相桥的连接端子和所述第四相桥的连接端子连接于所述变压器的次级绕组。
另外，为了解决上述问题，本发明的功率变换器是一种在三相交流电压源与直流电压源之间双向传输功率的功率变换器，该功率变换器具备：第一相桥以及第二相桥，该第一相桥以及第二相桥各自具有两个由电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件而构成的带有缓冲器的开关，并且二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接；直流电压源，其与所述第一相桥以及所述第二相桥并联连接；正极选择器，其具有三个带有缓冲器的双向开关，该带有缓冲器的双向开关反向串联连接有电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件的两个带有缓冲器的开关，该三个带有缓冲器的双向开关的三个端子连接于三相交流电压源的各相，剩余的三个端子短路连接而作为正极端子；负极选择器，其具有三个所述带有缓冲器的双向开关，该三个所述带有缓冲器的双向开关的三个端子连接于所述三相交流电压源的各相，剩余的三个端子短路连接而作为负极端子；以及电感器，其连接在所述第一相桥的连接端子与所述正极选择器的正极端子之间，所述第二相桥与所述第一相桥并联连接，所述第二相桥的连接端子与所述负极选择器的负极端子短路连接。
并且，在本发明的功率变换器中，所述功率变换器具备变压器而代替所述电感器，所述正极选择器的正极端子和所述负极选择器的负极端子连接于所述变压器的初级绕组，所述第一相桥的连接端子和所述第二相桥的连接端子连接于所述变压器的次级绕组。
并且，在本发明的功率变换器中，在所述三相交流电压源的两相的电压极性为正的情况下，以时分方式切换与该两相连接的所述正极选择器的带有缓冲器的双向开关来进行开关；在所述三相交流电压源的两相的电压极性为负的情况下，以时分方式切换与该两相连接的所述负极选择器的带有缓冲器的双向开关来进行开关。
另外，为了解决上述问题，本发明的功率变换器是一种在单相交流电压源与直流电压源之间双向传输功率的功率变换器，该功率变换器具备：第一相桥以及第二相桥，该第一相桥以及第二相桥各自具有两个由电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件而构成的带有缓冲器的开关，并且二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接；直流电压源，其与所述第一相桥以及所述第二相桥并联连接；单相正极选择器，其具有两个带有缓冲器的双向开关，该带有缓冲器的双向开关反向串联连接有电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件的两个带有缓冲器的开关，该两个带有缓冲器的双向开关的两个端子连接于单相交流电压源，剩余的两个端子短路连接而作为正极端子；单相负极选择器，其具有两个所述带有缓冲器的双向开关，该两个所述带有缓冲器的双向开关的两个端子连接于所述单相交流电压源，剩余的两个端子短路连接而作为负极端子；以及电感器，其连接在所述第一相桥的连接端子与所述单相正极选择器的正极端子之间，所述第二相桥与所述第一相桥并联连接，所述第二相桥的连接端子与所述单相负极选择器的负极端子短路连接。
并且，在本发明的功率变换器中，所述功率变换器具备变压器而代替所述电感器，所述单相正极选择器的正极端子和所述单相负极选择器的负极端子连接于所述变压器的初级绕组，所述第一相桥的连接端子和所述第二相桥的连接端子连接于所述变压器的次级绕组。
发明效果
根据本发明，在能够于直流、三相交流或者单相交流的一次电压源与直流的二次电压源之间进行双向功率传输的功率变换器中，能够维持软开关，从而能够大幅度减少电磁波噪声和开关损耗。
附图说明
图1是表示了本发明的实施例1的功率变换器的电路图。
图2是表示了本发明的实施例1的桥式电路的输出电压与流经电感器的电流的关系的图。
图3是表示了本发明的实施例2的功率变换器的电路图。
图4是表示了本发明的实施例3的功率变换器的电路图。
图5是表示了本发明的实施例2以及实施例3的功率变换器的开关工作的图。
图6是表示了本发明的实施例5的功率变换器的电路图。
图7是表示了本发明的实施例6的功率变换器的电路图。
图8是表示了现有的直流电压源之间的功率变换电路的一例的电路图。
图9是表示了图8所示的功率变换电路的桥式电路的输出电压与流向变压器的电流的关系的图。
图10是表示了现有的在三相交流电压源与直流电压源之间进行功率传输的功率变换器的一例的电路图。
图11是表示了现有的在单相交流电压源与直流电压源之间进行功率传输的功率变换器的一例的电路图。
图12是示出三相交流电压源的各相电压波形例的图。
图13是表示了在本发明的实施例2以及实施例3的功率变换器中的正极选择器、负极选择器以及它们的电位差的电压波形的图。
具体实施方式
下面，根据表示本发明的实施例的图1至图7，对各实施例详细说明。此外，在图中，省略控制各开关元件的栅极电压的栅极驱动电路的图示。
实施例1
图1是表示了本发明的实施例1的功率变换器的电路图。实施例1的功率变换器具备桥式电路30、桥式电路31以及电感器7。桥式电路30具备相桥1、与相桥1并联连接的相桥2以及并联连接于相桥1及相桥2的直流电压源5。桥式电路31具备相桥3、与相桥3并联连接的相桥4以及并联连接于相桥3及相桥4的直流电压源6。各相桥1、2、3、4使用电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件的带有缓冲器的开关，二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接。该功率变换器在直流电压源5与直流电压源6之间双向传输功率。
实施例1的功率变换器与图8所示的现有功率变换器相比较，桥式电路30与桥式电路31之间的连接借助电感器7进行连接以代替外接电感器11、12以及变压器8进行连接这一点不同。在实施例1的功率变换器中，相桥3的连接端子和相桥1的连接端子借助电感器7相连接，相桥4的连接端子和所述相桥2的连接端子短路连接。
图2是示出图1所示的功率变换器的工作波形的图。一次电压V1是相桥1的连接端子相对于相桥2的连接端子的电压，二次电压V2是相桥3的连接端子相对于相桥4的连接端子的电压。图1所示的工作波形与图9示出的现有功率变换器的工作波形相比较，每半周期在电压V1和电压V2中存在零电压段，电压V2的波形比电压V1的波形滞后(180－控制角δ)相位这一点不同。控制角δ由传输电量决定，通过控制来给出。在控制角δ为零的情况下，电压V1的极性与电压V2的极性相反。若控制角δ如图2那样给出，则能够从直流电压源5向直流电压源6传输功率。
图2中标记的γ是电压V1或V2输出直流电压源5、6的电压或其反向电压的相位期间。另外，控制角δ为从电压V2由直流电压源6的反向电压－E2切换为零电压的相位至电压V1由直流电压源5的电压E1切换为零电压的相位的时间段。图2的电压V1以及电压V2在切换时刻t1～t8处的各电流I1～I4的大小由式(2)～(5)表示。另外，对于传输功率P，在电压V1、V2以及电流I为图2时，由电压V1的波形和电流I的波形导出式(6)。
公式2
公式3
公式4
公式5
公式6
在此，角频率ω＝2πf，f是开关频率，L是电感器7的电感。由式(6)可知，传输功率P能够使用控制角δ来控制，因此控制角δ能够作为传输功率P的控制角来使用。例如，在直流电压源6为电容器，控制其电压E2的情况下，对E2的指令值与已检测出来的E2电压之间的偏差进行PI控制而将其输出调整为控制角δ来控制传输电量，使E2与E2的指令值一致。
对于实施例1的功率变换器，虽然现有功率变换器的外接电感器11、12和变压器8的漏感已变更为电感器7，但是通过零电压开关而进行关断、开通时的开关工作和电流状态与现有技术相同，因而省略说明，但要进行零电压开关，则与现有技术同样，电流I的极性和绝对值的大小成为条件。例如，进行电压V1从零电压向E1切换时刻t1处的零电压开关的条件是电流I的极性为负，并且电流I的绝对值为预定值Imin以上。在此，预定值Imin是在空载时间段中缓冲电容器充放电所需的最小电流。
在从时刻t1至时刻t8的各时刻处以零电压进行开关的条件是电流I1～I4的绝对值为预定值Imin以上，并且如图2所示那样时刻t1、t6、t7、t8的电流极性为负，时刻t2、t3、t4、t5的电流极性为正。要使电流I1～I4变为预定值Imin以上，根据图2，由于I3、I4>|I1|、|I2|，因而只要使|I1|、|I2|＞Imin即可。根据式(2)、式(3)，进行软开关的条件成为式(7)。若将式(7)进行变形，则γ可以由式(8)求出。在此，β由式(9)表示，G由式(10)表示。
公式7
公式8
公式9
公式10
式(7)、式(8)以及式(10)中的max(E1、E2)是指选择E1和E2中大的一方。如上所述，γ是直流电压源5的电压E1或者其反向电压－E1以V1输出的相位期间，也是直流电压源6的电压E2或者其反向电压－E2以V2输出的相位期间。式(8)分解为式(9)和式(10)，式(10)的G取1～2的值。式(9)的作为零以上值的β(在本说明书中叫做调整角)的值是变动不大的值，因而若作为预先求出的恒值，则相位期间γ成为以调整角β作为截距、与控制角δ成正比的一次函数，能够容易地求出。
如此，能够通过调整角β和控制角δ而求出相位期间γ。因此，如果通过栅极驱动电路，以电压V1变为图2所示那样的波形的方式进行开关，则在从时刻t1至时刻t8的所有开关点处都能够使绝对值为预定值Imin以上的电流I流动，从而能够进行零电压开关方式下的软开关。
接下来，说明形成图2所示的电压V1、V2的波形的示例。所有带有缓冲器的开关都以相同的频率进行开关，带有缓冲器的开关22、24、26、28分别以经由带有缓冲器的开关21、23、25、27的空载时间的反转工作进行开关。以占空比50％开关相桥1以及相桥2，在带有缓冲器的开关21接通之后，在相位期间(π－γ)之后接通带有缓冲器的开关24，从而电压V1的波形变为图2所示那样。同样，以占空比50％开关相桥3以及相桥4，在带有缓冲器的开关25接通之后，在相位期间(π－γ)之后接通带有缓冲器的开关28，从而电压V2的波形变为图2所示那样。并且，要使电压V1以及电压V2的相位产生图2所示那样的相位差，则在带有缓冲器的开关25接通之后，在经过控制角δ的相位期间之后的时刻让带有缓冲器的开关21断开而使桥式电路30的带有缓冲器的开关工作即可。
式(6)是求出传输功率的公式，与现有技术的求出传输功率的式(1)同样，在式(6)中，传输功率P也与E1、E2之积成正比，与角频率ω成反比。若将最大传输功率Pm时刻的E1、E2分别设为E1m、E2m，将ωm作为该时刻的角频率，则电压从E1m、E2m下降后的某一E1、E2时的最大输出功率变为如式(11)这样：
公式11
由式(11)可知，在ω固定(ω＝ωm)的情况下，在某一E1、E2下的最大输出功率P比最大传输功率Pm大幅下降。要使该下降减少，根据式(11)，只要随E1、E2的下降而使ω变小即可。但是，这样的话，由式(2)～(5)可知导致流经电感器的电流(即电流I)上升，有可能超过设计时的电流最大值。因此，要寻求在限制电感器电流(电流I)的最大值的状态下获得大输出功率的ω。为了简化，将用于求出相位期间γ的式(9)的β设为0，式(10)的G设为2，在能够取得的所有控制角δ的范围内由式(2)～(5)求出电流I的最大值。在E1＜2E2或者E2＜2E1的范围(条件1)内，电流I的最大值Ipm成为式(12)。在E1＞2E2的范围(条件2)内，电流I的最大值Ipm成为式(13)。在E2＞2E1的范围(条件3)内，电流I的最大值Ipm成为式(14)。
公式12
公式13
公式14
若将由式(12)求得的电流I的最大值Ipm作为电感器电流最大值，将式(12)时的E1、E2、ω分别设置为E1m、E2m、ωm，则在某一E1、E2下电流I与电感器电流最大值一致时的ω由式(15)表示。同样，在条件2下求出的式(13)的电感器电流最大值与由式(12)求得的电感器电流最大值一致时的ω由式(16)表示。在条件3下求出的式(14)的电感器电流最大值与由式(12)求得的电感器电流最大值一致时的ω由式(17)表示。式(15)～(17)是根据E1、E2的条件而分别求出的，因此将式(15)～(17)合并后的公式就变为式(18)。
公式15
公式16
公式17
公式18
式(18)的分子是从(E1+E2)、(3E1/2)、(3E2/2)中选择最大的这样的意思。也就是说，通过使开关频率随直流电压源5与直流电压源6的大小关系而变化，能够在电流I限制在电感器电流最大值的状态下将输出功率最大化。另外，此时的最大输出功率由式(19)表示。
公式19
如此，根据实施例1的功率变换器，在能够于直流的一次电压源与直流的二次电压源之间进行双向功率传输的功率变换器中，即使在传输功率小、流经电感器的电流小的情况下，仍然能够在可以进行采用零电压开关方式的软开关的前提下进行双向功率传输，从而能够大幅度减少电磁波噪声和开关损耗。
另外，在图8所示的现有功率变换器中，由于根据式(1)，在直流电压源5与直流电压源6间的传输功率是与直流电压源5、6的电压E1、E2成正比的，因此如果ω为恒定，那么，若E1、E2变小则会导致传输功率变小。但是，在实施例1的功率变换器中，由于使角频率ω随直流电压源5、6的电压E1、E2而变化，因此即使直流电压源的电压变化，也能够将传输功率维持在预定范围内。此时，如果将角频率ω设定为满足式(18)的值，则能够在限制电感器电流(电流I)的最大值的状态下使传输功率增大。
以上，虽然以图1的电路构成对实施例1进行了说明，但图8的电路构成同样也能够实现上述内容。那种情况下的L值成为外接电感器11、12的电感与变压器8的漏感之和。由于能够维持软开关，因此能够应用高频用的小型变压器，从而能够在不使体积或重量增大的情况下将直流电压源5与直流电压源6绝缘。
实施例2
图3是表示了本发明的实施例2的功率变换器的电路图。实施例2的功率变换器与图1所示的实施例1的功率变换器相比较，具备三相交流电压源80、正极选择器9以及负极选择器10以代替图1的桥式电路30这一点不同。该功率变换器在三相交流电压源和直流电压源之间双向传输功率。
由三个带有缓冲器的双向开关61、62、63构成正极选择器9。所谓带有缓冲器的双向开关是如图3所示那样以相反方向串联连接两个带有缓冲器的开关。带有缓冲器的双向开关61、62、63的端子分别与三相交流电压源80的U相端子、V相端子以及W相端子连接。另外，带有缓冲器的双向开关61、62、63的、未与三相交流电压源80连接的端子短路连接而作为正极选择器9的正极端子。
在带有缓冲器的双向开关61、62、63中，带有缓冲器的开关的二极管的阴极朝向三相交流电压源80一侧的带有缓冲器的开关分别称为QUP、QVP、QWP，带有缓冲器的开关的二极管的阴极朝向正极端子一侧的带有缓冲器的开关分别称为QPU、QPV、QPW。正极选择器9只要使带有缓冲器的双向开关61、62、63中的一个接通，就可以从三相交流电压源80的三个相电压中选择一个而与正极端子连接。
同样，由三个带有缓冲器的双向开关71、72、73构成负极选择器10。带有缓冲器的双向开关71、72、73的端子分别与三相交流电压源80的U相端子、V相端子以及W相端子连接。另外，带有缓冲器的双向开关71、72、73的、未与三相交流电压源80连接的端子短路连接而作为负极选择器10的负极端子。
在带有缓冲器的双向开关71、72、73中，带有缓冲器的开关的二极管的阴极朝向三相交流电压源80一侧的带有缓冲器的开关分别称为QUN、QVN、QWN，带有缓冲器的开关的二极管的阴极朝向负极端子一侧的带有缓冲器的开关分别称为QNU、QNV、QNW。负极选择器10只要使带有缓冲器的双向开关71、72、73中的一个接通，就可以从三相交流电压源80的三个相电压中选择一个而与负极端子连接。正极选择器9的正极端子借助电感器7而与相桥3的连接点连接，负极选择器10的负极端子与相桥4的连接点短路连接。
图12表示从三相交流电压源80输出的各相电压波形，电压相位为0～30度的范围作为区域R1，电压相位为30～60度的范围作为区域R2，电压相位为60～90度的范围作为区域R3。
在区域R1中，U相电压为唯一正值，V相和W相的电压为负值。在区域R1中，若要在图3的V1方向上输出电压，则接通带有缓冲器的双向开关61的两个带有缓冲器的开关QUP、QPU，接通带有缓冲器的双向开关72和带有缓冲器的双向开关73中任一个的两个带有缓冲器的开关(QVN与QNV这两个或QWN与QNW这两个)，剩余的带有缓冲器的双向开关全部断开。另外，要使与V1相反方向的电压输出，需接通带有缓冲器的双向开关62和带有缓冲器的双向开关63中任一个的两个带有缓冲器的开关(QVP与QPV这两个或QWP与QPW这两个)，接通带有缓冲器的双向开关71的两个带有缓冲器的开关QUN、QNU，剩余的带有缓冲器的双向开关全部断开。也就是说，为了改变V1电压的极性，需要对正极选择器9或负极选择器10中的进行接通工作的带有缓冲器的双向开关切换、换流。
图5示出了图12的电压相位的区域、电流I的极性以及在与三相交流电压源80的各输出相连接的正极选择器9中的带有缓冲器的双向开关的状态下，图3的正极选择器9中的从带有缓冲器的开关QUP至QPW的各带有缓冲器的开关的状态(上部)和与各带有缓冲器的开关并联连接的电容器的电压(下部)。开关状态和电容器电压只在变化了时记录，未变化时用“|”表示。电容器的电压是将U－V相间电压设为Va，将V－W相间电压设为Vb(参照图12的电压相位区域R1和区域R2)。下面，根据图5说明切换正极选择器9中的两个带有缓冲器的双向开关来使其换流的工作原理。
针对从正极选择器9中的带有缓冲器的双向开关63向带有缓冲器的双向开关61换流的流程进行说明。在状态(1)W相－ON下，带有缓冲器的双向开关63的带有缓冲器的开关QWP、QPW都为接通状态，带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QUP、QPU和带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QVP、QPV为断开状态。由于带有缓冲器的双向开关63处于接通，因此在带有缓冲器的开关QUP上施加有Va+Vb的电压，在带有缓冲器的开关QVP上施加有Vb的电压。要从图5的状态(1)W相－ON转移到状态(2)U相－ON，则在电流I的极性为负时，首先让带有缓冲器的开关QPU开通。由于是在带有缓冲器的开关QPU的电容器中未积存有电荷的状态下的开通，因此成为零电压开关。
接下来，若使带有缓冲器的开关QPW关断，则成为电荷逐渐向带有缓冲器的开关QPW的电容器积存的零电压开关。在此期间，若电流流经带有缓冲器的开关QPU，使带有缓冲器的开关QUP的电容器放电而变为零电压，则带有缓冲器的开关QUP的二极管导通。另外，同时电流I的极性为负，因此在带有缓冲器的开关QPV的电容器放电的同时，施加在QVP的电容器上的Vb电压放电。若带有缓冲器的开关QUP的二极管导通，则在带有缓冲器的双向开关62上施加Va的电压，在带有缓冲器的双向开关63上施加Va+Vb的电压。由于Va的电压比Vb大，因此在带有缓冲器的开关QVP的电容器放电至零电压之后，带有缓冲器的开关QVP的二极管导通，带有缓冲器的开关QPV的电容器充电至Va的电压。另外，带有缓冲器的开关QPW的电容器充电至Va+Vb的电压。
在带有缓冲器的开关QUP的二极管导通之后，带有缓冲器的开关QUP开通。由于电流在二极管中流动，因而能够以零电流、零电压开关。此后，若使带有缓冲器的开关QWP关断，则完成从带有缓冲器的双向开关63向带有缓冲器的双向开关61的换流。由于在带有缓冲器的开关QWP中既未流有电流，带有缓冲器的开关QWP的电容器也为零电压状态，因此即使使其关断也不产生开关损耗。
与上述相反，在从带有缓冲器的双向开关61向带有缓冲器的双向开关63换流的情况(图5的从状态(2)U相－ON向状态(3)W相－ON的换流)下，带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QUP、QPU都为接通状态，带有缓冲器的双向开关63的带有缓冲器的开关QWP、QPW、带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QVP、QPV为断开状态。此时，在带有缓冲器的开关QPV上施加有Va的电压，在带有缓冲器的开关QPW上施加有Va+Vb的电压。在电流I的极性为正时，首先带有缓冲器的开关QWP开通。由于在带有缓冲器的开关QWP中未流有电流，带有缓冲器的开关QWP的电容器也为零电压状态，因此即使使其开通也不产生开关损耗。
接下来，若使带有缓冲器的开关QUP关断，则成为电荷逐渐向带有缓冲器的开关QUP的电容器积存的零电压开关。在此期间，若电流流经带有缓冲器的开关QWP，使带有缓冲器的开关QPW的电容器放电而变为零电压，则带有缓冲器的开关QPW的二极管导通。另外，由于电流I的极性为正，因此在已积累在带有缓冲器的开关QPV的电容器中的Va电压放电的同时，带有缓冲器的开关QVP的电容器充电。若带有缓冲器的开关QPW的二极管导通，则在带有缓冲器的双向开关62上施加Vb的电压，在带有缓冲器的双向开关61上施加Va+Vb的电压。若将带有缓冲器的开关QVP的电容器电压设为X，则由于QPV的电容器电压放电至Va－X，带有缓冲器的开关QVP的电容器电压与带有缓冲器的开关QPV的电容器电压之和成为Vb的电压，因此X－(Va－X)＝Vb式成立。因此，带有缓冲器的开关QVP的电容器充电至X＝(Va+Vb)/2的电压，带有缓冲器的开关QPV的电容器放电至(Va－Vb)/2电压。另外，带有缓冲器的开关QUP的电容器充电至Va+Vb的电压。
在带有缓冲器的开关QPW的二极管导通之后，带有缓冲器的开关QPW开通。由于电流在二极管中流动，因而能够以零电流、零电压开关。此后，若使带有缓冲器的开关QPU关断，则从带有缓冲器的双向开关61向带有缓冲器的双向开关63的换流完成。由于在带有缓冲器的开关QPU中既未流有电流，带有缓冲器的开关QPU的电容器也为零电压状态，因此即使使其关断也不产生开关损耗。
在从带有缓冲器的双向开关61向带有缓冲器的双向开关62换流(从状态(2)U相－ON向状态(4)V相－ON的换流)的情况下，由于从状态(2)U相－ON的状态开始，因此带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QUP、QPU都为接通状态，带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QVP、QPV和带有缓冲器的双向开关63的带有缓冲器的开关QWP、QPW为断开状态。此时，在带有缓冲器的开关QPV上施加有Va的电压，在带有缓冲器的开关QPW上施加有Va+Vb的电压。在电流I的极性为正时，首先带有缓冲器的开关QVP开通。由于在带有缓冲器的开关QVP中未流有电流，带有缓冲器的开关QVP的电容器也为零电压状态，因此即使使其开通也不产生开关损耗。
接下来，若使QUP关断，则成为电荷逐渐向带有缓冲器的开关QUP的电容器积存的零电压开关。在此期间，若电流流经带有缓冲器的开关QVP，使带有缓冲器的开关QPV的电容器放电而变为零电压，则带有缓冲器的开关QPV的二极管导通。另外，由于电流I的极性为正，因此在积累在带有缓冲器的开关QPW的电容器中的Va+Vb电压放电的同时，带有缓冲器的开关QWP的电容器充电。若带有缓冲器的开关QPV的二极管导通，则在带有缓冲器的双向开关63上施加Vb的电压，在带有缓冲器的双向开关61上施加Va的电压。若将带有缓冲器的开关QWP的电容器电压设为X，则带有缓冲器的开关QPW的电容器电压放电至Va+Vb－X，带有缓冲器的开关QWP的电容器电压与QPW的电容器电压之和成为Vb的电压。因此，X－(Va+Vb－X)＝－Vb式成立，带有缓冲器的开关QWP的电容器充电至X＝Va/2的电压，带有缓冲器的开关QPW的电容器放电至Va/2+Vb的电压。另外，带有缓冲器的开关QUP的电容器充电至Va电压。
在带有缓冲器的开关QPV的二极管导通之后，带有缓冲器的开关QPV开通。由于电流在流经二极管，因而能够以零电流、零电压开关。此后，若使带有缓冲器的开关QPU关断，则从带有缓冲器的双向开关61向带有缓冲器的双向开关62的换流完成。由于在带有缓冲器的开关QPU中既未流有电流，带有缓冲器的开关QPU的电容器也为零电压状态，因此即使使其关断也不产生开关损耗。
此后，在从带有缓冲器的双向开关62向带有缓冲器的双向开关61换流(从状态(4)V相－ON向状态(5)U相－ON的换流)的情况下，由于从状态(4)V相－ON的状态开始，因此带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QVP、QPV都为接通状态，带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QUP，QPU和带有缓冲器的双向开关63的带有缓冲器的开关QWP，QPW为断开状态。此时，在带有缓冲器的开关QUP上施加有Va的电压，带有缓冲器的开关QWP的电容器施加有Va/2的电压，带有缓冲器的开关QPW的电容器施加有Va/2+Vb的电压。在电流I的极性为负时，首先使带有缓冲器的开关QPU开通。由于在带有缓冲器的开关QPU中既未流有电流，带有缓冲器的开关QPU的电容器也为零电压状态，因此即使使其开通也不产生开关损耗。
接下来，若使带有缓冲器的开关QPV关断，则成为电荷逐渐向带有缓冲器的开关QPV的电容器积存的零电压开关。在此期间，若电流流经带有缓冲器的开关QPU，使带有缓冲器的开关QUP的电容器放电而变为零电压，则带有缓冲器的开关QUP的二极管导通。另外，由于电流I的极性为负，因此在积累在带有缓冲器的开关QWP的电容器中的Va/2的电压放电的同时，积累在带有缓冲器的开关QPW的电容器中的Va/2+Vb的电压进一步充电。若带有缓冲器的开关QUP的二极管导通，则在带有缓冲器的双向开关63上施加Va+Vb的电压，在带有缓冲器的双向开关62上施加Va的电压。若将带有缓冲器的开关QWP的电容器电压设为Va/2－X，则QPW的电容器电压充电至Va/2+Vb+X，QWP的电容器电压与QPW的电容器电压之和成为Va+Vb的电压。因此，(Va/2－X)－(Va/2+Vb+X)＝－(Va+Vb)式成立，成为X＝Va/2，因而带有缓冲器的开关QWP的电容器成为零电压，带有缓冲器的开关QPW的电容器电压充电至Va+Vb的电压。另外，带有缓冲器的开关QPV的电容器充电至Va的电压。
在带有缓冲器的开关QUP的二极管导通之后，带有缓冲器的开关QUP开通。由于电流在流经二极管，因而能够以零电流、零电压开关。此后，若使带有缓冲器的开关QVP关断，则从带有缓冲器的双向开关62向带有缓冲器的双向开关61的换流完成。由于在带有缓冲器的开关QVP中既未流有电流，带有缓冲器的开关QVP的电容器也为零电压状态，因此即使使其关断也不产生开关损耗。
在图12的区域R2中，W相电压是唯一负值，U相和V相的电压为正值。与区域R1同样，若要使图3的V1方向和与V1方向相反方向的电压输出，则需要对正极选择器9或负极选择器10中的进行接通工作的带有缓冲器的双向开关进行切换、换流。在此时的换流工作中，也能够以与上述的区域R1同样的工作进行软开关。
从图12的区域R1转移至区域R2时的带有缓冲器的双向开关的换流工作也能够以与区域R1同样的工作进行软开关。例如，从在图12的区域R1中带有缓冲器的双向开关63已接通的状态进入到区域R2，在此从带有缓冲器的双向开关63向带有缓冲器的双向开关62换流(从状态(3)W相－ON向状态(6)V相－ON)的情况下，由于是从状态(3)W相－ON的状态开始，因此带有缓冲器的双向开关63的带有缓冲器的开关QWP，QPW都为接通状态，带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QUP，QPU、带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QVP，QPV为断开状态。此时，在带有缓冲器的开关QUP上施加有Va+Vb的电压，带有缓冲器的开关QVP的电容器施加有(Va+Vb)/2的电压，QPV的电容器施加有(Va－Vb)/2的电压。在电流I的极性为负时，首先带有缓冲器的开关QPV开通。虽然在带有缓冲器的开关QPV的电容器上施加有(Va－Vb)/2的电压，但如果电源电压相位是区域R1与区域R2的交界附近则Va＝Vb，因此成为在电容器电压非常小的状态下的开通，能够进行零电压开关。
接下来，若使带有缓冲器的开关QPW关断，则成为电荷逐渐向带有缓冲器的开关QPW的电容器积存的零电压开关。在此期间，若电流流经带有缓冲器的开关QPV，使带有缓冲器的开关QVP的电容器放电而变为零电压，则带有缓冲器的开关QVP的二极管导通。另外，由于电流I的极性为负，因此在积累在带有缓冲器的开关QUP的电容器中的Va+Vb的电压放电的同时，带有缓冲器的开关QPU的电容器充电。若带有缓冲器的开关QVP的二极管导通，则在带有缓冲器的双向开关61上施加Va的电压，在带有缓冲器的双向开关63上施加Vb的电压。若带有缓冲器的开关QPU的电容器电压设为X，则带有缓冲器的开关QUP的电容器电压放电至Va+Vb－X，带有缓冲器的开关QUP的电容器电压与带有缓冲器的开关QPU的电容器电压之和成为Va电压。因此，(Va+Vb－X)－X＝Va式成立，带有缓冲器的开关QPU的电容器电压充电至X＝Vb/2的电压，带有缓冲器的开关QUP的电容器放电至Va+Vb/2的电压。另外，带有缓冲器的开关QPW的电容器充电至Vb的电压。
在带有缓冲器的开关QVP的二极管导通之后，带有缓冲器的开关QVP开通。由于电流流经二极管，因而能够以零电流、零电压开关。此后，若使带有缓冲器的开关QWP关断，则从带有缓冲器的双向开关63向带有缓冲器的双向开关62的换流完成。由于在带有缓冲器的开关QWP中既未流有电流，带有缓冲器的开关QWP的电容器也为零电压状态，因此即使使其关断也不产生开关损耗。
接下来，在从带有缓冲器的双向开关62向带有缓冲器的双向开关63换流(图5的从状态(6)V相－ON向状态(7)W相－ON的换流)的情况下，由于是从状态(6)V相－ON的状态开始，因此带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QVP、QPV都为接通状态，带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QUP、QPU和带有缓冲器的双向开关63的带有缓冲器的开关QWP、QPW为断开状态。此时，在带有缓冲器的开关QPW上施加有Vb的电压，带有缓冲器的开关QUP的电容器施加有(Va+Vb)/2的电压，带有缓冲器的开关QPU的电容器施加有Vb/2的电压。在电流I的极性为正时，首先带有缓冲器的开关QWP开通。由于在带有缓冲器的开关QWP中既未流有电流，带有缓冲器的开关QWP的电容器也为零电压状态，因此即使使其开通也不产生开关损耗。
接下来，若使带有缓冲器的开关QVP关断，则成为电荷逐渐向带有缓冲器的开关QVP的电容器积存的零电压开关。在此期间，若电流流经带有缓冲器的开关QWP，使带有缓冲器的开关QPW的电容器放电而变为零电压，则带有缓冲器的开关QPW的二极管导通。另外，由于电流I的极性为正，因此在积累在带有缓冲器的开关QPU的电容器中的Vb/2的电压放电的同时，积累在带有缓冲器的开关QUP的电容器中的Va+Vb/2的电压进一步充电。若带有缓冲器的开关QPW的二极管导通，则在带有缓冲器的双向开关61上施加Va+Vb的电压，在带有缓冲器的双向开关62上施加Vb的电压。若带有缓冲器的开关QPU的电容器电压设为Vb/2－X，则带有缓冲器的开关QUP的电容器电压充电至Va+Vb/2+X，带有缓冲器的开关QUP的电容器电压与带有缓冲器的开关QPU的电容器电压之和成为Va+Vb的电压。因此，(Va+Vb/2+X)－(Vb/2－X)＝(Va+Vb)式成立，成为X＝Vb/2，因而带有缓冲器的开关QPU的电容器成为零电压，带有缓冲器的开关QUP的电容器充电至Va+Vb的电压。另外，带有缓冲器的开关QVP的电容器充电至Vb的电压。
在带有缓冲器的开关QPW的二极管导通之后，带有缓冲器的开关QPW开通。由于电流流经二极管，因而能够以零电流、零电压开关。此后，若使带有缓冲器的开关QPV关断，则从带有缓冲器的双向开关62向带有缓冲器的双向开关61的换流完成。由于在带有缓冲器的开关QPV中既未流有电流，带有缓冲器的开关QPV的电容器也为零电压状态，因此即使使其关断也不产生开关损耗。负极选择器10中的带有缓冲器的双向开关的换流工作也是与正极选择器9中的带有缓冲器的双向开关同样的工作，在这种情况下也能够进行软开关。
图13表示了正极选择器9的正极端子的电压、负极选择器10的负极端子的电压以及作为它们的电位差的V1的电压的波形例，VU、VV、VW分别指三相交流电压源80的U、V、W相电压。在图13的E时点之前，切换三相交流电压源80的作为正电压的U相和作为负电压的V相，在E时点以后，切换作为正电压的U相和作为负电压的W相。如此，正极选择器9和负极选择器10交替选择三相交流电压源80的正电压的相和负电压的相(以下，称为“正负选择相”，若写作正负选择相UV，则是指U相作为正电压相而使用，V相作为负电压相而使用)，而且正极选择器9的正负选择相和负极选择器10的正负选择相成为相同的。
根据图13说明用于输出与图2的V1相同的三电平电压的正极选择器9和负极选择器10的选择工作。在此，示出电压相位为图12的区域R1的情况。在图13的E时点之前，正极选择器9和负极选择器10的正负选择相是正电压的U相和负电压的V相，E时点以后成为U相和W相的正负选择相。在图13的A时点处，正极选择器9选择U相，负极选择器10选择V相，V1变为正输出(VU－VV)。在图13的B时点上，正极选择器9和负极选择器10选择相同的V相而V1成为零电压。在图13的C时点上，正极选择器9选择V相，负极选择器10选择U相，从而V1变为负输出(VV－VU)。
如此，根据实施例2的功率变换器，在能够于三相交流的一次电压源与直流的二次电压源之间进行双向功率传输的功率变换器中，能够维持软开关，从而能够大幅减少电磁波噪声和开关损耗。
另外，在图10所示的现有功率变换器中，在三相全桥变换器83或升降压斩波器84的开关元件的开关时点上，开关元件的两端电压未必为零，或者正在流动的电流未必为零，因此成为硬开关，产生开关损耗。由于开关损耗与开关频率成正比，因此无法为了提高系统的效率而使开关频率变高。于是，为了抑制流向交流电抗器82或升降压斩波器84内的电感器的波纹电流，需要使交流电抗器82或升降压斩波器84内的电感器的电感变大，因而，导致交流电抗器82或升降压斩波器84内的电感器的尺寸增大。但是，根据实施例2的功率变换器，由于能够进行软开关，因此能够提高开关频率，从而能够使电感器的尺寸变小。而且，不需要交流电抗器。
实施例3
图4是表示了本发明的实施例3的功率变换器的电路图。实施例3的功率变换器与图3所示的实施例2的功率变换器相比较，具备变压器8以代替图3的电感器7，三相交流电压源80与直流电压源6通过变压器8进行电绝缘这一点不同。实施例3的功率变换器的工作原理与图3所示的实施例2的功率变换器完全相同，因此省略说明。
在图10所示的现有功率变换器中，三相交流电压源80与直流电压源6的电绝缘是困难的。为了进行电绝缘，可以考虑在三相交流电压源80与交流电抗器82之间插入变压器，但是，由于该变压器在三相交流电压源80的频率下通常要对应于50Hz或60Hz这样的低频，因而存在体积以及重量增大这样的问题。但是，根据实施例3的功率变换器，由于是软开关，因此能够应用高频用的小型变压器，从而能够在不使体积、重量增大的情况下进行电绝缘。
实施例4
实施例4的功率变换器是与实施例2或实施例3的功率变换器相同的结构，在三相交流电压源80的两相的电压极性为正的情况下，对与该两相连接的正极选择器9的两个带有缓冲器的双向开关按时分切换来进行开关；在三相交流电压源80的两相的电压极性为负的情况下，对与该两相连接的负极选择器10的两个带有缓冲器的双向开关按时分切换来进行开关。也就是说，正极选择器9或负极选择器10中进行接通的一个带有缓冲器的双向开关切换为极性相同的另外一个带有缓冲器的双向开关。
以图12的电源电压相位的区域R1的情况为例进行说明。正极选择器9和负极选择器10能够采用正负选择相UV和正负选择相UW中任一个。因而，通过调整使用正负选择相UV的时间和使用正负选择相UW的时间之间的时间分配，能够调整V相电流与W相电流在预定时间内的平均值，并能够通过在三相交流电压源80中插入滤波器而使平滑化后的电源电流变为功率因数为1的正弦波形。该时间分配在不随使用的正负选择相而切换控制角δ这样的条件下，当区域R1时，由式(20)表示。
公式20
在此，式(20)的TL是使用电位差小的正负选择相(在区域R1中为正负选择相UV，在区域R2中为正负选择相VW)的时间，TH是使用电位差大的正负选择相(在区域R1和区域R2中为正负选择相UW)的时间。在为奇数编号区域的情况下，θ是距区域转换点的相位；在为偶数编号区域的情况下，θ是从30度减去距区域转换点的相位后的相位。
图10所示的现有技术的三相全桥变换器83能够向升降压斩波器84传输直流功率的同时，将三相交流电压源80的电源电流变为功率因数为1的正弦波形，在实施例4的功率变换器中，也能够将三相交流电压源80的电源电流变为功率因数为1的正弦波形，进而能够在不丧失现有功率变换器的优点的情况下进行完善。
实施例5
图6是表示了本发明的实施例5的功率变换器的电路图。实施例5的功率变换器与图1所示的实施例1的功率变换器相比较，具备单相交流电压源81、单相正极选择器13以及单相负极选择器14以代替图1的桥式电路30这一点不同。
由带有缓冲器的双向开关61和带有缓冲器的双向开关62构成单相正极选择器13。所谓带有缓冲器的双向开关是如图6所示那样反向串联连接两个带有缓冲器的开关。同样，由带有缓冲器的双向开关71和带有缓冲器的双向开关72构成单相负极选择器14。带有缓冲器的双向开关61的端子和带有缓冲器的双向开关71的端子连接于单相交流电压源81的端子，同样，带有缓冲器的双向开关62的端子和带有缓冲器的双向开关72的端子连接于单相交流电压源81。
另外，带有缓冲器的双向开关61、62的相反一侧的端子短路连接，成为单相正极选择器13的正极端子。同样，带有缓冲器的双向开关71、72的相反一侧的端子短路，成为单相负极选择器14的负极端子。单相正极选择器13的正极端子借助电感器7而与相桥3的连接点连接，单相负极选择器14的负极端子与相桥4的连接点短路连接。
在单相交流电压源81的与带有缓冲器的双向开关61的连接端子的电位比单相交流电压源81的与带有缓冲器的双向开关62的连接端子的电位高(V0＞0)的情况下，若要在图6的V1方向上输出电压，则接通带有缓冲器的双向开关61的带有缓冲器的开关QXP、QPX，并接通带有缓冲器的双向开关72的带有缓冲器的开关QZN，QNZ。另外，要使与V1相反方向的电压输出，接通带有缓冲器的双向开关62的带有缓冲器的开关QZP、QPZ，并接通带有缓冲器的双向开关71的两个带有缓冲器的开关QXN、QNX。能够在从带有缓冲器的双向开关61向带有缓冲器的双向开关62的换流、从带有缓冲器的双向开关72向带有缓冲器的双向开关71的换流中进行软开关的理由与图3的从带有缓冲器的双向开关61向带有缓冲器的双向开关63的换流等相同，因此省略说明。
与图3同样，以输出与图2的V1相同的三电平电压的方式选择单相正极选择器13和单相负极选择器14中的带有缓冲器的双向开关来进行开关。例如，在单相交流电压源81的与带有缓冲器的双向开关61的连接端子的电位比单相交流电压源81的与带有缓冲器的双向开关72的连接端子的电位高(V0＞0)的情况下，若单相正极选择器13选择带有缓冲器的双向开关61并使其接通，负极选择器10选择带有缓冲器的双向开关72并使其接通，则V1变为正输出。若单相正极选择器13从该状态使带有缓冲器的双向开关61断开，换作选择带有缓冲器的双向开关62并使其接通，则单相正极选择器13和单相负极选择器14就选择了相同的单相交流电压源81的相，V1成为零电压。并且，若单相负极选择器14从该状态使带有缓冲器的双向开关72断开，换作选择带有缓冲器的双向开关71并使其接通，则V1成为负输出。也就是说，如果单相正极选择器13和单相负极选择器14交替选择相同的单相交流电压源81的相，在不同的时刻进行带有缓冲器的双向开关的换流，则V1能够输出三电平电压。另一方面，桥式电路31以与图1相同的方式进行开关即可。
在图11所示的现有功率变换器中，虽然能够进行从单相交流电压源81向直流电压源6的功率传输，但是无法进行从直流电压源6向单相交流电压源81的功率传输。但是，根据实施例5的功率变换器，在能够于单相交流的一次电压源与直流的二次电压源之间进行双向功率传输的功率变换器中，能够维持软开关，从而能够大幅减少电磁波噪声、开关损耗。
实施例6
图7是表示了本发明的实施例6的功率变换器的电路图。实施例6的功率变换器与图6所示的实施例5的功率变换器相比较，具备变压器8以代替图6的电感器7，单相交流电压源81与直流电压源6通过变压器8进行电绝缘这一点不同。实施例6的功率变换器的工作原理与图6所示的实施例5的功率变换器完全相同，因此省略说明。
在图11所示的现有功率变换器中，单相交流电压源81与直流电压源6的电绝缘是困难的。为了进行电绝缘，虽然可以考虑在单相交流电压源81与全波整流器91之间插入变压器，但是由于该变压器在单相交流电压源81的频率下通常要对应于50Hz或60Hz这样的低频，因而具有体积以及重量增大这样的问题。但是，根据实施例6的功率变换器，由于是软开关，因此能够应用高频用的小型变压器，从而能够在不使体积、重量增大的情况下进行电绝缘。
工业上的适用性
直流电压间的功率传输是例如在电动汽车中，在电池与电动机驱动用或发电机用逆变器之间进行，或者在电池与双电层电容器之间进行，通过由软开关实现的高频化，能够谋求电感器的小型化。另外，通过实现电池与逆变器之间的绝缘，提高整个系统的安全性。交流电压与直流电压间的功率传输是例如在风力发电的逆变器与系统电压之间进行，通过软开关而使电磁噪声减少、通过高频化而使装置小型化以及通过绝缘而提高整个系统的安全性。另外，若如图4、图7所示那样使用变压器，则能够应用于非接触供电用途等。
附图标记说明
1、2、3、4 相桥
5、6 直流电压源
7 电感器
8 变压器
9 正极选择器
10 负极选择器
11、12 外接电感器
13 单相正极选择器
14 单相负极选择器
21、22、23、24、25、26、27、28 带有缓冲器的开关
30、31 桥式电路
61、62、63、71、72、73 带有缓冲器的双向开关
80 三相交流电压源
81 单相交流电压源
82 交流电抗器
83 三相全桥变换器
84 升降压斩波器
85 电容器
91 全波整流器
92 二极管
93 软开关

Claims (9)

1.一种功率变换器，其在直流电压源之间双向传输功率，该功率变换器具备：
第一相桥、第二相桥、第三相桥以及第四相桥，该第一相桥、第二相桥、第三相桥以及第四相桥各自具有两个由电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件而构成的带有缓冲器的开关，并且二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接；
第一直流电压源，其与所述第一相桥以及所述第二相桥并联连接；
第二直流电压源，其与所述第三相桥以及所述第四相桥并联连接；以及
电感器，其连接在所述第一相桥的连接端子与所述第三相桥的连接端子之间，
所述第二相桥与所述第一相桥并联连接，所述第四相桥与所述第三相桥并联连接，
所述第四相桥的连接端子与所述第二相桥的连接端子短路连接，
对所述第一相桥的带有缓冲器的开关以及所述第二相桥的带有缓冲器的开关进行开关，以使一次电压波形每半周期经由零电压在相位期间γ交替重复所述第一直流电压源的电压和该电压的反向电压，该一次电压波形是所述第一相桥的连接端子相对于所述第二相桥的连接端子的电压波形，
对所述第三相桥的带有缓冲器的开关以及所述第四相桥的带有缓冲器的开关进行开关，以使二次电压波形以与所述一次电压波形相同的频率且相位比所述一次电压波形滞后从180度减去控制角δ的角度地每半周期经由零电压在相位期间γ交替重复所述第二直流电压源的电压和该电压的反向电压，该二次电压波形是所述第三相桥的连接端子相对于所述第四相桥的连接端子的电压波形。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其中，
所述相位期间γ是将零以上的值作为截距的所述控制角δ的一次函数。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其中，
使所述一次电压波形的角频率随所述第一直流电压源的电压E1和所述第二直流电压源的电压E2而变化。
4.根据权利要求3所述的功率变换器，其中，
所述一次电压波形的角频率设为，使用所述第一直流电压源的电压E1、所述第二直流电压源的电压E2、最大传输功率Pm时的所述第一直流电压源的电压E1m、最大传输功率Pm时的所述第二直流电压源的电压E2m以及最大传输功率Pm时的角频率ωm而通过下式算出的值：
(公式1)
<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>max</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>m</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率变换器，其中，
所述功率变换器具备变压器而代替所述电感器，
所述第一相桥的连接端子和所述第二相桥的连接端子连接于所述变压器的初级绕组，所述第三相桥的连接端子和所述第四相桥的连接端子连接于所述变压器的次级绕组。
6.一种功率变换器，其在三相交流电压源与直流电压源之间双向传输功率，该功率变换器具备：
第一相桥以及第二相桥，该第一相桥以及第二相桥各自具有两个由电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件而构成的带有缓冲器的开关，并且二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接；
直流电压源，其与所述第一相桥以及所述第二相桥并联连接；
正极选择器，其具有三个带有缓冲器的双向开关，该带有缓冲器的双向开关反向串联连接有电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件的两个带有缓冲器的开关，该三个带有缓冲器的双向开关的三个端子连接于三相交流电压源的各相，剩余的三个端子短路连接而作为正极端子；
负极选择器，其具有三个所述带有缓冲器的双向开关，该三个所述带有缓冲器的双向开关的三个端子连接于所述三相交流电压源的各相，剩余的三个端子短路连接而作为负极端子；以及
电感器，其连接在所述第一相桥的连接端子与所述正极选择器的正极端子之间，
所述第二相桥与所述第一相桥并联连接，所述第二相桥的连接端子与所述负极选择器的负极端子短路连接，
在所述三相交流电压源的两相的电压极性为正的情况下，以时分方式切换与该两相连接的所述正极选择器的带有缓冲器的双向开关来进行开关，在所述三相交流电压源的两相的电压极性为负的情况下，以时分方式切换与该两相连接的所述负极选择器的带有缓冲器的双向开关来进行开关，使所述三相交流电压源的电源电流功率因数为1。
7.根据权利要求6所述的功率变换器，其中，
所述功率变换器具备变压器而代替所述电感器，
所述正极选择器的正极端子和所述负极选择器的负极端子连接于所述变压器的初级绕组，所述第一相桥的连接端子和所述第二相桥的连接端子连接于所述变压器的次级绕组。
8.一种功率变换器，其在单相交流电压源与直流电压源之间双向传输功率，该功率变换器具备：
第一相桥以及第二相桥，该第一相桥以及第二相桥各自具有两个由电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件而构成的带有缓冲器的开关，并且二极管的阴极连接于正极端子的带有缓冲器的开关和二极管的阳极连接于负极端子的带有缓冲器的开关借助连接端子沿相同方向串联连接；
直流电压源，其与所述第一相桥以及所述第二相桥并联连接；
单相正极选择器，其具有两个带有缓冲器的双向开关，该带有缓冲器的双向开关反向串联连接有电容器并联连接于开关元件且二极管反并联连接于该开关元件的两个带有缓冲器的开关，该两个带有缓冲器的双向开关的两个端子连接于单相交流电压源，剩余的两个端子短路连接而作为正极端子；
单相负极选择器，其具有两个所述带有缓冲器的双向开关，该两个所述带有缓冲器的双向开关的两个端子连接于所述单相交流电压源，剩余的两个端子短路连接而作为负极端子；以及
电感器，其连接在所述第一相桥的连接端子与所述单相正极选择器的正极端子之间，
所述第二相桥与所述第一相桥并联连接，所述第二相桥的连接端子与所述单相负极选择器的负极端子短路连接，
所述单相正极选择器和所述单相负极选择器交替选择相同的所述单相交流电压源的相，在不同的时刻进行带有缓冲器的双向开关的换流。
9.根据权利要求8所述的功率变换器，其中，
所述功率变换器具备变压器而代替所述电感器，
所述单相正极选择器的正极端子和所述单相负极选择器的负极端子连接于所述变压器的初级绕组，所述第一相桥的连接端子和所述第二相桥的连接端子连接于所述变压器的次级绕组。
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