CN104604112B - 电力转换器及具有该电力转换器的逆变器装置 - Google Patents

电力转换器及具有该电力转换器的逆变器装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电力转换器及具有该电力转换器的逆变器装置，通过在电力转换器的输出电压与输出电流的极性不同的期间内，断开切换元件(Q1)和切换元件(Q2)，接通开关元件(S1)和开关元件(S2)中的一个元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的PWM信号的反转信号，使另一个元件接通/断开，从而输出对应PWM信号的脉冲串的电压。

Description

电力转换器及具有该电力转换器的逆变器装置
技术领域
本发明涉及一种逆变器装置，即使处在所流过的电流的相位比交流输出的电压延迟的区域，也能够减少输出电压的波形失真。
背景技术
通过3个直流电位生成交流电压的三电平逆变器装置已经在工业领域中得到了广泛运用。图11显示了一种逆变器装置的概略结构，其能够以三电平的电位输出相电压。在专利文献1中公开了此种逆变器装置。图11中，1是直流电源，2是逆变器电路，3是滤波电路，4是负载。直流电源1是将正侧电源Psp和负侧电源Psn进行串联连接的电源。直流电源1的输出端子有正侧电源Psp的正侧端子P、负侧电源Psn的负侧端子N、以及作为正侧电源Psp与负侧电源Psn的连接点的中性点端子C。正侧端子P输出正侧电源Psp的正电压V1。负侧端子N输出负侧电源Psn的负电压-V2。中性点端子C输出直流电源1的中间电压即零电压Vz。
逆变器电路2由切换元件Q1、Q2和开关元件S1、S2构成。切换元件Q1、Q2为串联连接，连接在直流电源1的两端。切换元件Q1、Q2的连接点为输出交流电压Vout的输出端子U。开关元件S1、S2为反向并联连接，构成双向开关BS。该双向开关BS连接在中性点端子C与输出端子U之间。滤波电路3是将电抗器Lf与电容器Cf串联连接而成的电路。滤波电路3连接在输出端子U与中性点端子C之间。负载4连接在电容器Cf的两端。从逆变器电路2的输出电压Vout中去除高次谐波成分后获得的正弦波状的负载电压Vload输出至电容器Cf的两端。
首先，说明输出正极性的负载电压Vload时的逆变器电路2的动作。图12是表示各元件的控制信号与输出电压Vout的关系的图。各元件在控制信号为高电平(以下写作H。)时接通，并在控制信号为低电平(以下写作L。)时断开。图12(a)显示了第1脉冲宽度调制信号(PWM信号1)的经时性变化。PWM信号1是用来生成切换元件Q1和开关元件S2的控制信号的基准信号。PWM信号1交替地重复H和L。切换元件Q1的控制信号与PWM信号1同步地变为H或L(图12(c))。开关元件S2的控制信号是将PWM信号1的H和L反转并附加了休止期间Td的信号(图12(f))。休止期间Td是为防止切换元件Q1和开关元件S2短路而使两个元件一同断开的期间。
图12(b)显示了第2脉冲宽度调制信号(PWM信号2)的经时性变化。PWM信号2是用来生成切换元件Q2和开关元件S1的控制信号的基准信号。PWM信号2在此期间中始终为L。切换元件Q2的控制信号对应PWM信号2，始终为L(图12(d))。开关元件S1的控制信号对应将PWM信号2的H和L反转后的信号，始终为H(图12(e))。
各元件基于上述控制信号进行接通/断开动作后，正极性的脉冲串的电压Vout会输出到输出端子U与中性点端子C之间(以下写作端子U-C间)。电压Vout被实施脉冲宽度调制，其振幅为直流电源Psp的电压V1。
接着，说明输出负极性的电压Vout时的逆变器电路2的动作。图13是表示各元件的控制信号与输出电压Vout的关系的图。图13(a)显示PWM信号1的经时性变化。PWM信号1在此期间中始终为L。切换元件Q1的控制信号对应PWM信号1，始终为L(图13(c))。开关元件S2的控制信号对应将PWM信号1的H和L反转后的信号，始终为H(图13(f))。
图13(b)显示了PWM信号2。PWM信号2交替地重复H和L。切换元件Q2的控制信号与PWM信号2同步地变为H或L(图13(d))。开关元件S1的控制信号是将PWM信号2的H和L反转并附加了休止期间Td的信号(图13(e))。休止期间Td是为防止切换元件Q2和开关元件S1短路而使两个元件一同断开的期间。
各元件基于上述控制信号实施接通/断开动作后，负极性的脉冲串的电压Vout会输出至端子U-C间。电压Vout被实施脉冲宽度调制，其振幅为直流电源Psn的电压V2。
如上所述，输出电压Vout为实施了脉冲宽度调制的脉冲串的电压，含有高次谐波成分。输出电压Vout中含有的高次谐波成分会在滤波电路3中被去除。同样地，逆变器电路2的输出电流Iout中含有的高次谐波成分会在滤波电路3中去除。其结果是，对负载4施加正弦波状的交流电压Vload。此外，正弦波状的交流电流Iload流至负载4。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利特开2007-028860号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，上述逆变器装置中，由于存在电抗器Lf，所以相对于输出电压Vout，输出电流Iout为滞后相位。也就是说，输出电压Vout的周期中，存在着输出电压Vout的极性与输出电流Iout的极性不同的区域。从而，上述逆变器装置在此期间无法获得对应于PWM信号1、2的输出电压Vout。
图14是用来说明逆变器装置具有的此种问题的图。图14(a)显示了输出电压Vout的1周期内的PWM信号1的时间变化。此外，图14(b)显示了输出电压Vout的1周期内的PWM信号2的时间变化。PWM信号1是在0度～180度的期间内经过脉冲宽度调制而在180度～360度的期间内为L的信号。另一方面，PWM信号2是在0度～180度的期间为L而在180度～360度的期间内经过脉冲宽度调制的信号。逆变器电路2基于上述PWM信号1、2进行动作后，会输出图14(c)所示的电压Vout。
此处，输出电压Vout的脉冲宽度在期间A内是于PWM信号1的脉冲前后附加了休止期间Td而得到的宽度。这是因为，在期间A内开关元件S2断开后，电流Iout会流动至与切换元件Q1反向并联连接的二极管中。此外，输出电压Vout的脉冲宽度在期间B内是于PWM信号2的脉冲前后附加了休止期间Td的宽度。这是因为，在期间B内开关元件S1断开后，电流Iout会流动至与切换元件Q2反向并联连接的二极管中。期间A、B中，由PWM信号1、2指令的脉冲T1～T4的宽度较小，因此休止期间Td所导致的波形失真会变大。因此，滤波电路3中，会因输出电压Vout的阶跃变化而产生电压振动。其结果是，期间A、B中，负载电压Vload的振动、波形失真会变大(图14(d))。为了减少如此产生的负载电压Vload的振动、波形失真，必须使滤波电路3大型化。
本发明是为解决这种以往技术具有的问题开发而成的。也就是说，本发明的目的在于提供一种逆变器装置，其即使在输出电压与输出电流的极性不同的期间内，也能够输出抑制了波形失真增加的电压。该目的可通过输出以下交流电压来实现，该交流电压将经由双向开关输入的电压与对应PWM信号生成并且其振幅相当于直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。
解决技术问题所采用的技术方案
为达成上述目的，第1发明是一种逆变器装置，其具有由第1和第2切换元件以及双向开关构成的电力转换器。第1和第2切换元件分别具有反向并联连接的二极管。而且，该第1和第2切换元件串联连接在直流电源的两端。双向开关由第1和第2开关元件反向串联或反向并联连接而构成，其一端连接于第1和第2切换元件的连接点。该逆变器装置的一实施方式构成为，将双向开关的另一端连接于直流电源的中间电位点。此外，该逆变器装置的其他实施方式构成为，将双向开关的另一端连接在交流电源的另一端，该交流电源的一端连接于直流电源的中间电位点。该实施方式中，以中间电位点为基准的直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于交流电源的电压的振幅值。而且，如此构成的电力转换器具有以下动作模式，即，使用通过第1切换元件输入的直流电源的正电压、通过第2切换元件输入的直流电源的负电压、以及通过双向开关输入的电压输出交流电压。
而且，本发明所涉及的逆变器装置在该动作模式下，于输出电压和输出电流的极性都为正的期间内，断开第2切换元件和第2开关元件，并基于按照输出电压指令实施过脉冲宽度调制的第1信号(PWM信号1)，使第1切换元件接通/断开，并且基于在PWM信号1的反转信号中附加了休止期间的信号，使第1开关元件接通/断开。此外，该逆变器装置在该动作模式下，于输出电压和输出电流的极性都为负的期间内，断开第1切换元件和第1开关元件，并基于按照输出电压指令实施过脉冲宽度调制的第2信号(PWM信号2)，使第2切换元件接通/断开，并且基于在PWM信号2的反转信号中附加了休止期间的信号，使第2开关元件接通/断开。也就是说，该逆变器装置以在输出电压的极性与输出电流的极性相同的期间内，间隔休止期间使2个元件交替地接通/断开的方式进行动作。
另一方面，该发明所涉及的逆变器装置在该动作模式下，于输出电压和输出电流的极性不同的期间内，使第1和第2切换元件断开，并且根据输出电压和输出电流的极性来接通双向开关的其中一个开关元件，并基于PWM信号1或PWM信号2的反转信号使双向开关中的另一个开关元件接通/断开。具体地说，该逆变器装置在该动作模式下，于输出电压为正极性并且输出电流为负极性的期间内，使第1和第2切换元件断开，使第1开关元件接通，并基于PWM信号1的反转信号使第2开关元件接通/断开。此外，该逆变器装置在该动作模式下，于输出电压为负极性并且输出电流为正极性的期间内，使第1和第2切换元件断开，使第2开关元件接通，并基于PWM信号2的反转信号使第1开关元件接通/断开。
因此，第1发明所涉及的逆变器装置的电力转换器能够输出如下的交流电压，该交流电压将经由双向开关输入的电压与振幅相当于直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。该脉冲串的电压是对应PWM信号1或PWM信号2中的任一个而生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压未受到休止期间的影响。因此，本发明所涉及的逆变器装置不会增大用来从电力转换器的输出电压中去除高次谐波成分的滤波电路，并且能够抑制输出电压的波形失真的增加。
为达成上述目的，第2发明是一种逆变器装置，其具有由第1和第2切换元件以及第1和第2双向开关构成的电力转换器。第1和第2切换元件分别具有反向并联连接的二极管。而且，该第1和第2切换元件串联连接在直流电源的两端。第1双向开关由第1和第2开关元件反向串联或反向并联连接而构成。而且，第1双向开关连接至第1和第2切换元件的连接点与交流电源的另一端之间，该交流电源的一端连接于直流电源的中间电位点。第2双向开关由第3和第4开关元件反向串联或反向并联连接而构成。而且，第2双向开关连接至第1和第2切换元件的连接点与直流电源的中间电位点之间。此处，以中间电位点为基准的直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于交流电源的电压的振幅值。如此构成的电力转换器具有以下第1动作模式，即使用通过第1切换元件输入的直流电源的正电压、通过第2切换元件输入的直流电源的负电压、以及通过第2双向开关输入的直流电源的中间电压，来输出交流电压。
而且，本发明所涉及的逆变器装置在第1动作模式下，于输出电压和输出电流的极性都为正的期间内，断开第2切换元件和第1双向开关，接通第3开关元件，并基于按照输出电压指令实施过脉冲宽度调制的第1信号(PWM信号1)使第1切换元件接通/断开，并且基于在PWM信号1的反转信号中附加了休止期间的信号使第4开关元件接通/断开。此外，该逆变器装置在第1动作模式下，于输出电压和输出电流的极性都为负的期间内，断开第1切换元件和第1双向开关，接通第4开关元件，并基于按照输出电压指令实施过脉冲宽度调制的第2信号(PWM信号2)使第2切换元件接通/断开，并且基于在PWM信号2的反转信号中附加了休止期间的信号使第3开关元件接通/断开。也就是说，该逆变器装置以在输出电压的极性与输出电流的极性相同的期间内，间隔休止期间使2个元件交替地接通/断开的方式进行动作。
另一方面，该发明所涉及的逆变器装置在第1动作模式下，于输出电压和输出电流的极性不同的期间内，使第1和第2切换元件以及第1双向开关断开，并且根据输出电压和输出电流的极性接通第2双向开关的其中一个开关元件，并基于PWM信号1或PWM信号2的反转信号使第2双向开关中的另一个开关元件接通/断开。具体地说，该逆变器装置在第1动作模式下，于输出电压为正极性并且输出电流为负极性的期间内，使第1和第2切换元件以及第1双向开关断开，使第3开关元件接通，并基于PWM信号1的反转信号使第4开关元件接通/断开。此外，该逆变器装置在第1动作模式下，于输出电压为负极性并且输出电流为正极性的期间内，使第1和第2切换元件以及第1双向开关断开，使第4开关元件接通，并基于PWM信号2的反转信号使第3开关元件接通/断开。
因此，第2发明所涉及的逆变器装置的电力转换器能够输出如下的交流电压，该交流电压将直流电源的中间电压与振幅相当于直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。该脉冲串的电压是对应PWM信号1或PWM信号2中的任一个而生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压未受到休止期间的影响。因此，本发明所涉及的逆变器装置不会增大用来从电力转换器的输出电压中去除高次谐波成分的滤波电路，并且能够抑制输出电压的波形失真的增加。
为达成上述目的，第3发明是一种逆变器装置，其具有由第1和第2切换元件以及第1和第2双向开关构成的电力转换器。第1和第2切换元件分别具有反向并联连接的二极管。而且，该第1和第2切换元件串联连接在直流电源的两端。第1双向开关由第1和第2开关元件反向串联或反向并联连接而构成。而且，第1双向开关连接至第1和第2切换元件的连接点与交流电源的另一端之间，该交流电源的一端连接于直流电源的中间电位点。第2双向开关由第3和第4开关元件反向串联或反向并联连接而构成。而且，第2双向开关连接至第1和第2切换元件的连接点与直流电源的中间电位点之间。此处，以中间电位点为基准的直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于交流电源的电压的振幅值。如此构成的电力转换器具有以下第2动作模式，即使用通过第1切换元件输入的直流电源的正电压、通过第2切换元件输入的直流电源的负电压、以及通过第1双向开关输入的交流电源的电压，来输出交流电压。
而且，本发明所涉及的逆变器装置在第2动作模式下，于输出电压和输出电流的极性都为正的期间内，断开第2切换元件和第2双向开关，接通第1开关元件，并基于按照输出电压指令实施过脉冲宽度调制的第1信号(PWM信号1)使第1切换接通/断开，并且基于在PWM信号1的反转信号中附加了休止期间的信号使第2开关元件接通/断开。此外，该逆变器装置在第2动作模式下，于输出电压和输出电流的极性都为负的期间内，断开第1切换元件和第2双向开关，接通第2开关元件，并基于按照输出电压指令实施过脉冲宽度调制的第2信号(PWM信号2)使第2切换元件接通/断开，并且基于在PWM信号2的反转信号中附加了休止期间的信号使第1开关元件接通/断开。也就是说，该逆变器装置以在输出电压的极性与输出电流的极性相同的期间内，间隔休止期间使2个元件交替地接通/断开的方式进行。
另一方面，该发明所涉及的逆变器装置在第2动作模式下，于输出电压和输出电流的极性不同的期间内，使第1和第2切换元件以及第2双向开关断开，并且根据输出电压和输出电流的极性接通第1双向开关的其中一个开关元件，并基于PWM信号1或PWM信号2的反转信号使第1双向开关的另一个开关元件接通/断开。具体地说，该逆变器装置在第2动作模式下，于输出电压为正极性并且输出电流为负极性的期间内，使第1和第2切换元件以及第2双向开关断开，使第1开关元件接通，并基于PWM信号1的反转信号使第2开关元件接通/断开。此外，该逆变器装置在第2动作模式下，于输出电压为负极性并且输出电流为正极性的期间内，使第1和第2切换元件以及第2双向开关断开，使第2开关元件接通，并基于PWM信号2的反转信号使第1开关元件接通/断开。
因此，第3发明所涉及的逆变器装置的电力转换器能够输出如下的交流电压，该交流电压通过将交流电源的电压与振幅相当于直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。该脉冲串的电压是对应PWM信号1或PWM信号2中的任一个而生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压未受到休止期间的影响。因此，本发明所涉及的逆变器装置不会增大用来从电力转换器的输出电压中去除高次谐波成分的滤波电路，并且能够抑制输出电压的波形失真的增加。
发明效果
使用本发明的逆变器装置即使在输出电压与输出电流的极性不同的期间内，也能够输出如下的交流电压，该交流电压通过将经由双向开关输入的电压与对应PWM信号生成并且振幅相当于直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。
附图说明
图1是用来说明使用本发明的逆变器装置的结构的图。
图2是用来说明图1所示的双向开关的其他实施方式的图。
图3是用来说明图1所示的控制电路的结构的图。
图4是用来说明图1所示的逆变器装置在期间A内的动作的图。
图5是用来说明图1所示的逆变器装置在期间B内的动作的图。
图6是用来说明滞后功率因数时的输出电压与输出电流的关系的图。
图7是用来说明使用本发明的逆变器装置的其他结构的图。
图8是用来说明图7所示的逆变器装置在期间A内的动作的图。
图9是用来说明图7所示的逆变器装置在期间B内的动作的图。
图10是用来说明使用本发明的逆变器装置的其他结构的图。
图11是用来说明现有技术所涉及的逆变器装置的结构的图。
图12是用来说明输出正极性的电压时的逆变器装置的动作的图。
图13是用来说明输出负极性的电压时的逆变器装置的动作的图。
图14是用来说明滞后功率因数时的输出电压与输出电流的关系的图。
具体实施方式
使用图1～图6，说明本发明所涉及的逆变器装置的第1实施方式。图1表示在图11所示的逆变器装置中附加了控制电路30的逆变器装置。因此，控制电路30以外的电路结构与图11所示的逆变器装置相同，此处省略它们的说明。
另外，双向开关BS也可以是具有图2的(a)至(c)所示的结构的电路或具有同等功能和效果的电路。这在本发明的其他实施方式中也一样。图2(a)是将IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)与二极管串联连接的2个电路进行反向并联连接后构成的双向开关。图2(b)是将分别反向并联连接着二极管的2个IGBT反向串联连接而构成的双向开关。图2(c)是将图2(b)中的IGBT替换为MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管)后构成的双向开关。
图3是显示控制电路30的结构的图。控制电路30具有输出电压指令生成电路31、期间判定电路32、载波信号生成电路33、调制信号生成电路34、脉冲宽度调制电路35、36以及脉冲分配电路37。控制电路30的动作概要如下所示。
输出电压指令生成电路31将逆变器电路2输出的电压的指令(输出电压指令V＊)输出。期间判定电路32使用输出电压Vout和输出电流Iout，生成判定期间A～C的期间信号δ。期间A是输出电压Vout为正极性而输出电流Iout为负极性的期间。期间B是输出电压Vout为负极性而输出电流Iout为正极性的期间。期间C是输出电压Vout与输出电流Iout的极性相同的期间。另外，期间信号δ也可以使用输出电压指令V＊代替输出电压Vout来生成。
载波信号生成电路33生成规定频率的载波信号Sc。调制信号生成电路34基于输出电压指令V＊和期间信号δ，生成第1调制信号λ1＊和第2调制信号λ2＊。脉冲宽度调制电路35使用第1调制信号λ1＊和载波信号Sc，生成实施了脉冲宽度调制的第1信号(PWM信号1)。脉冲宽度调制电路36使用第2调制信号λ2＊和载波信号Sc，生成实施了脉冲宽度调制的第2信号(PWM信号2)。脉冲分配电路37使用PWM信号1、PWM信号2以及期间信号δ，生成切换元件Q1、Q2和开关元件S1、S2的控制信号G1、G2、Gs1、Gs2。
逆变器电路2基于上述控制信号进行动作，从而将实施过脉冲宽度调制的脉冲串的电压Vout输出至端子U-C间。
首先，使用图4，说明期间A的控制电路30与逆变器电路2的动作。期间信号δ显示期间A时，控制电路30生成交替重复H和L的PWM信号1(图4(a))。该PWM信号1是与图12(a)所示的PWM信号1相同的信号。图中，PWM信号1为H的第1脉冲宽度是T1，第2脉冲宽度是T2。此外，控制电路30生成始终为L的PWM信号2(图4(b))。该PWM信号2是与图12(b)所示的PWM信号2相同的信号。
然后，控制电路30基于PWM信号1、2，生成构成逆变器电路2的各元件的控制信号。具体地说，控制电路30在期间A中，始终将切换元件Q1、Q2各自的控制信号G1、G2设为L(图4(c)、(d))。此外，控制电路30始终将开关元件S1的控制信号Gs1设为H(图4(e))。并且，控制电路30将开关元件S2的控制信号Gs2设为将PWM信号1的H和L反转后的信号(图4(f))。在此期间内，切换元件Q1始终断开，因此控制电路30没有在控制信号Gs2中附加休止期间Td。
逆变器电路2基于上述控制信号进行动作后，会将交流电压Vout输出至端子U-C间，该交流电压Vout可通过将经由双向开关BS输入的电压(零电压Vz)与对应PWM信号1生成并且振幅相当于直流电源1的正电压的脉冲串的电压进行合成而获得(图4(h))。例如，PWM信号1为L时，控制信号Gs2为H，所以开关元件S2接通。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过开关元件S2，从输出端子U向中性点端子C流动。此时，直流电源Psp的电压V1施加至切换元件Q1(图4(g))。而且，中性点端子C的电压(零电压Vz)输出至输出端子U(图4(h))。此外，PWM信号1为H时，控制信号Gs2为L，因此开关元件S2断开。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过切换元件Q1的反向并联二极管，从输出端子U向正侧端子P流动。此时，反向并联二极管的正方向电压施加至切换元件Q1(图4(g))。然后，直流电源Psp的电压V1会输出至端子U-C间(图4(h))。
接着，使用图5，说明期间B的控制电路30与逆变器电路2的动作。期间信号δ显示期间B时，控制电路30生成始终为L的PWM信号1(图5(a))。该PWM信号2是与图13(a)所示的PWM信号1相同的信号。此外，控制电路30生成交替重复H和L的PWM信号2(图5(b))。该PWM信号2是与图13(b)所示的PWM信号2相同的信号。图中，PWM信号2为H的第1脉冲宽度是T3，第2脉冲宽度是T4。
控制电路30基于PWM信号1、2，生成构成逆变器电路2的各元件的控制信号。具体地说，控制电路30在期间B中，始终将切换元件Q1、Q2各自的控制信号G1、G2设为L(图5(c)、(d))。此外，控制电路30始终将开关元件S2的控制信号Gs2设为H(图5(f))。而且，控制电路30将开关元件S1的控制信号Gs1设为将PWM信号2的H和L反转后的信号(图5(e))。在此期间内，切换元件Q2始终断开，因此控制电路30没有在控制信号Gs1中附加休止期间Td。
逆变器电路2基于上述控制信号进行动作后，会将交流电压Vout输出至端子U-C间，该交流电压Vout可通过将经由双向开关BS输入的电压(零电压Vz)与对应PWM信号2生成并且振幅相当于直流电源1的负电压的脉冲串的电压进行合成而获得(图5(h))。例如，PWM信号2为L时，控制信号Gs1为H，所以开关元件S1接通。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过开关元件S1，从中性点端子C向输出端子U流动。此时，直流电源Psn的电压V2施加至切换元件Q2(图5(g))。然后，中性点端子C的电压(零电压Vz)输出至输出端子U(图5(h))。此外，PWM信号2为H时，控制信号Gs1为L，所以开关元件S1会断开。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过切换元件Q2的反向并联二极管，从负侧端子N向输出端子U流动。此时，反向并联二极管的正方向电压施加至切换元件Q2(图5(g))。而且，直流电源Psn的电压V2以负极性输出至输出端子U(图5(h))。
另外，控制电路30在期间C内，在开关元件S1、S2的控制信号中附加休止期间Td。但是，期间C中，由于输出电压Vout与输出电流Iout的极性相同，所以输出电压Vout不会受到休止期间Td的影响，并且成为对应PWM信号1、2的电压。
如上所述，本实施方式所涉及的逆变器装置在期间A～C中，能够输出交流电压Vout，该交流电压Vout可通过将经由双向开关BS输入的电压与振幅相当于直流电源1的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。而且，该脉冲串的电压是对应PWM信号1、2生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压Vout未受到休止期间Td的影响。因此，该逆变器装置不会增大用来从电力转换器的输出电压Vout中去除高次谐波成分的滤波电路，并且能够抑制负载电压Vload的波形失真的增加。而且，如图6所示，负载电压Vload和负载电流Iload为正弦波状的波形。
接着，使用图7～图9，说明本发明所涉及的逆变器装置的第2实施方式。图7表示在图1所示的逆变器装置中附加了交流电源10的逆变器装置。直流电源1、逆变器电路2、滤波电路3、负载4以及控制电路30的结构与第1实施方式相同，因此省略它们的说明。
交流电源10的端子S连接至中性点端子C。交流电源10的端子R连接至双向开关BS的另一端，该双向开关BS由开关元件S1、S2构成，且其一端连接至输出端子U。此处，以中间电位点为基准的直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于交流电源的电压的振幅值。然后，逆变器电路2的输出电压输出至输出端子U与连接至中性点端子C的输出端子V之间(以下称为端子U-V间。)
控制电路30使用输出电压Vout和输出电流Iout，与第1实施方式同样地生成判定期间A～C的期间信号δ。另外，期间信号δ也可以使用输出电压指令V＊代替输出电压Vout来生成。此外，控制电路30生成基于输出电压指令V＊实施了脉冲宽度调制的PWM信号1、2。并且，控制电路30基于期间信号δ和PWM信号1、2，生成构成逆变器电路2的各元件的控制信号。
首先，使用图8，说明期间A中控制电路30与逆变器电路2的动作。期间信号δ显示期间A时，控制电路30生成交替重复H和L的PWM信号1(图8(a))。该PWM信号1是与图12(a)所示的PWM信号1对应的信号。图中，PWM信号1为H的第1脉冲宽度是T1，第2脉冲宽度是T2。此外，控制电路30生成始终为L的PWM信号2(图8(b))。该PWM信号2是与图12(b)所示的PWM信号2对应的信号。
控制电路30基于PWM信号1、2，生成构成逆变器电路2的各元件的控制信号。具体地说，控制电路30在期间A中，始终将切换元件Q1、Q2各自的控制信号G1、G2设为L(图8(c)、(d))。此外，控制电路30始终将开关元件S1的控制信号Gs1设为H(图8(e))。并且，控制电路30将开关元件S2的控制信号Gs2设为将PWM信号1的H和L反转后的信号(图8(f))。在此期间内，切换元件Q1始终断开，因此控制电路30没有在控制信号Gs2中附加休止期间Td。
逆变器电路2基于上述控制信号进行动作后，会将电压Vout输出至端子U-V间，该电压Vout可通过将交流电源10的电压Vs与对应PWM信号1生成并且振幅相当于直流电源1的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得(图8(h))。例如，PWM信号1为L时，控制信号Gs2为H，所以开关元件S2接通。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过开关元件S2，从输出端子U向交流电源10的端子R流动。此时，直流电源Psp的电压V1与交流电源10的电压Vs的差分电压会施加至切换元件Q1(图8(g))。然后，端子R的电压Vs会输出至输出端子U(图8(h))。此外，PWM信号1为H时，控制信号Gs2为L，所以开关元件S2断开。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过切换元件Q1的反向并联二极管，从输出端子U向正侧端子P流动。此时，反向并联二极管的正方向电压会施加至切换元件Q1(图8(g))。然后，直流电源Psp的电压V1会输出至端子U-V间(图8(h))。
接下来，使用图9，说明期间B中控制电路30与逆变器电路2的动作。期间信号δ显示期间B时，控制电路30生成始终为L的PWM信号1(图9(a))。该PWM信号2是与图13(a)所示的PWM信号1对应的信号。此外，控制电路30生成交替重复H和L的PWM信号2(图9(b))。该PWM信号2是与图13(b)所示的PWM信号2对应的信号。图中，PWM信号2为H的第1脉冲宽度是T3，第2脉冲宽度是T4。
控制电路30基于PWM信号1、2，生成构成逆变器电路2的各元件的控制信号。具体地说，控制电路30在期间B中，始终将切换元件Q1、Q2各自的控制信号G1、G2设为L(图9(c)、(d))。此外，控制电路30始终将开关元件S2的控制信号Gs2设为H(图9(f))。而且，控制电路30将开关元件S1的控制信号Gs1设为将PWM信号2的H和L反转后的信号(图9(e))。在此期间内，切换元件Q2始终断开，因此控制电路30没有在控制信号Gs1中附加休止期间Td。
逆变器电路2基于上述控制信号进行动作后，会将电压Vout输出至端子U-V间，该电压Vout可通过将交流电源10的电压Vs与对应PWM信号1的脉冲串的电压进行合成而获得(图9(h))。例如，PWM信号2为L时，控制信号Gs1为H，所以开关元件S1接通。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过开关元件S1，从交流电源10的端子R向输出端子U流动。此时，直流电源Psn的电压V2与端子R的电压Vs之间的差分电压会施加至切换元件Q2(图9(g))。而且，端子R的电压Vs会输出至输出端子U(图9(h))。此外，PWM信号2为H时，控制信号Gs1为L，所以开关元件S1断开。因此，逆变器电路2的输出电流Iout通过切换元件Q2的反向并联二极管，从负侧端子N向输出端子U流动。此时，反向并联二极管的正方向电压施加至切换元件Q2(图9(g))。而且，直流电源Psn的电压V2以负极性输出至输出端子U(图9(h))。
另外，控制电路30在期间C内，在开关元件S1、S2的控制信号中附加休止期间Td。但是，期间C中，输出电压Vout与输出电流Iout的极性相同，因此输出电压Vout不会受到休止期间Td的影响，并且成为将交流电源10的电压Vs与对应PWM信号1、2的脉冲串电压进行合成后获得的电压。
如上所述，本实施方式所涉及的逆变器装置在期间A～C中，能够输出交流电压Vout，该交流电压Vout可通过将交流电源10的电压Vs与振幅相当于直流电源1的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。而且，该脉冲串的电压是对应PWM信号1、2生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压Vout未受到休止期间Td的影响。因此，本实施方式所涉及的逆变器装置不会增大滤波电路3，并能够抑制期间A、B内负载电压Vload的波形失真的增加。而且，如图6所示，负载电压Vload和负载电流Iload为正弦波状的波形。
接着，使用图10，说明本发明所涉及的逆变器装置的第3实施方式。该实施方式所涉及的逆变器装置采用综合了第1和第2实施方式所涉及的逆变器装置的结构。直流电源1、滤波电路3以及负载4的结构与第1实施方式相同，因此省略它们的说明。此外，控制电路31的结构与第1实施方式中说明的控制电路30相同，用于生成切换元件Q1、Q2的控制信号G1、G2和开关元件S1～S4的控制信号Gs1～Gs4。通过以下说明，可明确控制电路31的动作。
该实施方式所涉及的逆变器电路21由切换元件Q1、Q2、双向开关BS1(第1双向开关)以及双向开关BS2(第2双向开关)构成。切换元件Q1、Q2为串联连接，连接在直流电源1的两端。切换元件Q1、Q2的连接点为输出交流电压的输出端子U。双向开关BS1通过将开关元件S1、S2反向并联连接而构成。双向开关BS2通过将开关元件S3、S4反向并联连接而构成。双向开关BS1、BS2各自的一端连接至输出端子U。而且，双向开关BS1的另一端连接至交流电源10的端子R，该交流电源10的端子S与直流电源1的中性点端子C连接。此外，双向开关BS2的另一端连接至中性点端子C。
该实施方式所涉及的逆变器装置至少具有动作模式1(第1动作模式)和动作模式2(第2动作模式)。动作模式1是使用直流电源1的电压V1、V2和中间电压来输出交流电压的动作模式。动作模式2是使用直流电源1的电压V1、V2和交流电源10的电压Vs来输出交流电压的动作模式。而且，该逆变器装置在以动作模式1运行时，与第1实施方式所涉及的逆变器装置的动作相同。此外，该逆变器装置在以动作模式2运行时，与第2实施方式所涉及的逆变器装置的动作相同。
具体地说，该逆变器装置以动作模式1运行时，控制电路31与第1实施方式所涉及的控制电路30相同地使用输出电压Vout或输出电压指令V＊以及输出电流Iout，生成判定期间A～C的期间信号δ。此外，控制电路31生成基于输出电压指令V＊实施了脉冲宽度调制的PWM信号1、2。并且，控制电路31基于期间信号δ和PWM信号1、2，生成构成逆变器电路21的各元件的控制信号。也就是说，动作模式1时，控制电路31始终将构成双向开关BS1的开关元件S1、S2的控制信号设为L。此外，控制电路31按照与第1实施方式的期间A、B时相同的逻辑，生成切换元件Q1、Q2以及构成双向开关BS2的开关元件S3、S4的控制信号。
然后，通过逆变器电路21基于如此生成的控制信号在期间A内动作，与第1实施方式的期间A时相同地将电压Vout输出至端子U-V间，该电压Vout可通过将直流电源1的中间电压(零电压Vz)和对应PWM信号1生成并且振幅相当于直流电源1的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。此外，通过逆变器电路21基于如上所述生成的控制信号在期间B内动作，与第1实施方式的期间B时相同地将电压Vout输出至端子U-V间，该电压Vout可通过将直流电源1的中间电压(零电压Vz)和对应PWM信号2生成并且振幅相当于直流电源1的负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。
另外，控制电路31在期间C中，在开关元件S3、S4的控制信号中附加休止期间Td。但是，期间C中，由于输出电压Vout与输出电流Iout的极性相同，所以输出电压Vout不会受到休止期间Td的影响。
也就是说，本实施方式所涉及的逆变器装置能够在动作模式1的期间A～C中输出交流电压Vout，该交流电压Vout可通过将直流电源1的中间电压(零电压Vz)和振幅相当于直流电源1的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。而且，该脉冲串的电压是对应PWM信号1、2生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压Vout未受到休止期间Td的影响。因此，该逆变器装置不会增大滤波电路3，并能够抑制期间A、B内负载电压Vload的波形失真的增加。而且，如图6所示，负载电压Vload和负载电流Iload为正弦波状的波形。
接着，该逆变器装置以动作模式2运行时，控制电路31与第2实施方式所涉及的控制电路30相同地使用逆变器装置的输出电压Vload或输出电压指令V＊以及输出电流Iload，生成判定期间A～C的期间信号δ。此外，控制电路31生成基于输出电压指令V＊实施了脉冲宽度调制的PWM信号1、2。并且，控制电路31基于期间信号δ和PWM信号1、2，生成构成逆变器电路21的各元件的控制信号。也就是说，动作模式2时，控制电路31始终将构成双向开关BS2的开关元件S3、S4的控制信号设为L。此外，控制电路31按照与第2实施方式的期间A、B时相同的逻辑，生成切换元件Q1、Q2以及构成双向开关BS1的开关元件S1、S2的控制信号。
然后，通过逆变器电路21基于如此生成的控制信号在期间A内动作，与第2实施方式的期间A时相同地将电压Vout输出至端子U-V间，该电压Vout可通过将交流电源10的电压Vs和对应PWM信号1的脉冲串的电压进行合成而获得。此外，通过逆变器电路21基于如上所述生成的控制信号在期间B内动作，与第2实施方式的期间B时相同地将电压Vout输出至端子U-V间，该电压Vout可通过将交流电源10的电压Vs和对应PWM信号1的脉冲串的电压进行合成而获得。
另外，控制电路31在期间C中，在开关元件S1、S2的控制信号中附加休止期间Td。但是，期间C中，由于输出电压Vout与输出电流Iout的极性相同，所以输出电压Vout不会受到休止期间Td的影响。
也就是说，本实施方式所涉及的逆变器装置能够在动作模式2的期间A～C中输出交流电压Vout，该交流电压Vout可通过将交流电源10的电压Vs和振幅相当于直流电源1的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成而获得。而且，该脉冲串的电压是对应PWM信号1、2生成的电压。也就是说，该电力转换器输出的交流电压Vout未受到休止期间Td的影响。因此，该逆变器装置不会增大滤波电路3，并能够抑制期间A、B内负载电压Vload的波形失真的增加。而且，如图6所示，负载电压Vload和负载电流Iload为正弦波状的波形。
工业上的实用性
本发明能够适用于瞬时电压降低补偿装置或不间断电源装置等将交流电压供应至负载的电力转换装置。
标号说明
1 直流电源
2、21 逆变器电路
3 滤波电路
4 负载
10 交流电源
30、31 控制电路

Claims (9)

1.一种电力转换器，其特征在于，包括：
第1和第2切换元件，该第1和第2切换元件分别与二极管反向并联连接，并串联连接在直流电源的两端；以及
双向开关，该双向开关由第1和第2开关元件反向串联或反向并联连接而构成，并且其一端连接至所述第1和第2切换元件的连接点，
在使用通过所述第1切换元件输入的所述直流电源的正电压、通过所述第2切换元件输入的所述直流电源的负电压、以及通过所述双向开关输入的电压来输出交流电压的动作模式下，在输出电压与输出电流的极性不同的期间内，使所述第1和第2切换元件断开，并且根据输出电压和输出电流的极性，接通所述双向开关的其中一个开关元件，并基于使用载波信号及按照输出电压指令生成的调制信号而实施了脉冲宽度调制的信号的反转信号，使所述双向开关的另一个开关元件接通/断开，从而输出交流电压，该交流电压通过将输入至所述双向开关的另一端的电压和对应所述脉冲宽度调制后的信号而生成的电压即振幅相当于所述直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成后获得。
2.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，
所述双向开关的另一端连接至所述直流电源的中间电位点。
3.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，
所述双向开关的另一端连接至交流电源的另一端，该交流电源的一端连接至所述直流电源的中间电位点，
以所述中间电位点为基准的所述直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于所述交流电源的电压的振幅值。
4.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，
在所述动作模式下，
在输出电压和输出电流的极性都为正的期间内，断开所述第2切换元件和所述第2开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的第1信号，使所述第1切换元件接通/断开，并且基于在所述第1信号的反转信号中附加了休止期间的信号，使所述第1开关元件接通/断开，
在输出电压和输出电流的极性都为负的期间内，断开所述第1切换元件和所述第1开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的第2信号，使所述第2切换元件接通/断开，并且基于在所述第2信号的反转信号中附加了休止期间的信号，使所述第2开关元件接通/断开，
在输出电压为正极性并且输出电流为负极性的期间内，使所述第1和第2切换元件断开，使所述第1开关元件接通，并基于所述第1信号的反转信号，使所述第2开关元件接通/断开，
在输出电压为负极性并且输出电流为正极性的期间内，使所述第1和第2切换元件断开，使所述第2开关元件接通，并基于所述第2信号的反转信号，使所述第1开关元件接通/断开。
5.一种电力转换器，其特征在于，包括：
第1和第2切换元件，该第1和第2切换元件分别与二极管反向并联连接，并串联连接至直流电源的两端；
第1双向开关，该第1双向开关由第1和第2开关元件反向串联或反向并联连接而构成，并且连接在所述第1和第2切换元件的连接点与交流电源的另一端之间，该交流电源的一端连接至所述直流电源的中间电位点；以及
第2双向开关，该第2双向开关由第3和第4开关元件反向串联或反向并联连接而构成，并且连接在所述第1和第2切换元件的连接点与所述直流电源的中间电位点之间，
以所述中间电位点为基准的所述直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于所述交流电源的电压的振幅值，
使用通过所述第1切换元件输入的所述直流电源的正电压、通过所述第2切换元件输入的所述直流电源的负电压、以及通过所述第2双向开关输入的所述直流电源的中间电压来输出交流电压的第1动作模式下，在输出电压和输出电流的极性不同的期间内，
使所述第1和第2切换元件以及所述第1双向开关断开，并且根据输出电压和输出电流的极性，接通所述第2双向开关的其中一个开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的信号的反转信号，使所述第2双向开关的另一个开关元件接通/断开，从而输出交流电压，该交流电压通过将所述直流电源的中间电压和对应实施了所述脉冲宽度调制的信号而生成的电压即振幅相当于所述直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成后获得。
6.根据权利要求5所述的电力转换器，其特征在于，
在所述第1动作模式下，
在输出电压和输出电流的极性都为正的期间内，断开所述第2切换元件和所述第1双向开关，接通所述第3开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的第1信号，使所述第1切换元件接通/断开，并且基于在所述第1信号的反转信号中附加了休止期间的信号，使所述第4开关元件接通/断开，
在输出电压和输出电流的极性都为负的期间内，断开所述第1切换元件和所述第1双向开关，接通所述第4开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的第2信号，使所述第2切换元件接通/断开，并且基于在所述第2信号的反转信号中附加了休止期间的信号，使所述第3开关元件接通/断开，
在输出电压为正极性并且输出电流为负极性的期间内，使所述第1和第2切换元件以及所述第1双向开关断开，使所述第3开关元件接通，并基于所述第1信号的反转信号使所述第4开关元件接通/断开，
在输出电压为负极性并且输出电流为正极性的期间内，使所述第1和第2切换元件以及所述第1双向开关断开，使所述第4开关元件接通，并基于所述第2信号的反转信号使所述第3开关元件接通/断开。
7.一种电力转换器，其特征在于，包括：
第1和第2切换元件，该第1和第2切换元件分别与二极管反向并联连接，并串联连接至直流电源的两端；
第1双向开关，该第1双向开关由第1和第2开关元件反向串联或反向并联连接而构成，并且连接在所述第1和第2切换元件的连接点与交流电源的另一端之间，该交流电源的一端连接至所述直流电源的中间电位点；以及
第2双向开关，该第2双向开关由第3和第4开关元件反向串联或反向并联连接而构成，并且连接在所述第1和第2切换元件的连接点与所述直流电源的中间电位点之间，
以所述中间电位点为基准的所述直流电源的正电压和负电压的大小设定为大于所述交流电源的电压的振幅值，
使用通过所述第1切换元件输入的所述直流电源的正电压、通过所述第2切换元件输入的所述直流电源的负电压、以及通过所述第1双向开关输入的所述交流电源的电压来输出交流电压的第2动作模式下，在输出电压和输出电流的极性不同的期间内，
使所述第1和第2切换元件以及所述第2双向开关断开，并且根据输出电压和输出电流的极性，接通所述第1双向开关的其中一个开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的信号的反转信号，使所述第1双向开关的另一个开关元件接通/断开，从而输出交流电压，该交流电压通过将所述交流电源的电压和对应实施了所述脉冲宽度调制的信号而生成的电压即振幅相当于所述直流电源的正电压或负电压的脉冲串的电压进行合成后获得。
8.根据权利要求7所述的电力转换器，其特征在于，
在所述第2动作模式下，
在输出电压和输出电流的极性都为正的期间内，断开所述第2切换元件和所述第2双向开关，接通所述第1开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的第1信号，使所述第1切换元件接通/断开，并且基于在所述第1信号的反转信号中附加了休止期间的信号，使所述第2开关元件接通/断开，
在输出电压和输出电流的极性都为负的期间内，断开所述第1切换元件和所述第2双向开关，接通所述第2开关元件，并基于按照输出电压指令实施了脉冲宽度调制的第2信号，使所述第2切换元件接通/断开，并且基于在所述第2信号的反转信号中附加了休止期间的信号，使所述第1开关元件接通/断开，
在输出电压为正极性并且输出电流为负极性的期间内，使所述第1和第2切换元件以及所述第2双向开关断开，使所述第1开关元件接通，并基于所述第1信号的反转信号，使所述第2开关元件接通/断开，
在输出电压为负极性并且输出电流为正极性的期间内，使所述第1和第2切换元件以及所述第2双向开关断开，使所述第2开关元件接通，并基于所述第2信号的反转信号，使所述第1开关元件接通/断开。
9.一种逆变器装置，其特征在于，
具有权利要求1至权利要求8中任一项所述的电力转换器。
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