CN105391309A - 矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及的矩阵变换器具备选择部、换流控制部、判定部、以及条件变更部。选择部基于交流电源的相电压的状态和负载的相电流的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式。换流控制部利用由选择部选择出的换流模式控制双向开关来进行切换交流电源和负载的连接状态的换流控制。判定部判定由换流控制产生的双向开关的电力损耗。条件变更部基于由判定部判定出的电力损耗来变更成为选择部的选择对象的换流模式或该换流模式的选择条件。

Description

矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法
技术领域
本发明涉及矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法。
背景技术
矩阵变换器具有连接交流电源和负载的多个双向开关，通过控制这些双向开关直接切换交流电源的各相电压，从而向负载输出任意的电压、频率。
该矩阵变换器通过按照规定的顺序对构成双向开关的开关元件独立进行接通、断开控制，来进行切换负载的相和交流电源的相的连接状态的换流控制。由此，防止例如交流电源的相间短路、输出相的开路等。
作为用于换流控制的换流法，提出有以四步电压换流法、四步电流换流法为首的各种换流法，进而，还提出有将多个换流法组合并根据交流电源的相电压、负载的相电流的状态来切换用于换流控制的换流法的方法(例如，参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－246174号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，由于例如换流法的组合方式、换流法的切换条件的不同，在双向开关上产生的电力损耗有增大的风险。
本发明的实施方式的一个方案就是鉴于上述问题而做出的，其目的是提供能够抑制在双向开关上产生的电力损耗的增加的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置以及矩阵变换器的控制方法。
用于解决问题的技术方案
本发明的实施方式的一个方式所涉及的矩阵变换器具备电力转换部、选择部、换流控制部、判定部、以及条件变更部。所述电力转换部具有多个双向开关，并在交流电源的各相和负载的各相之间设有所述多个双向开关。所述选择部基于所述交流电源的相电压的状态和所述负载的相电流的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式。所述换流控制部利用由所述选择部选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制。所述判定部判定由所述换流控制产生的所述双向开关的电力损耗。所述条件变更部基于由所述判定部判定出的所述电力损耗，来变更成为所述选择部的选择对象的所述换流模式或该换流模式的选择条件。
发明效果
根据本发明的实施方式的一个方式，可以提供能够抑制在双向开关上产生的电力损耗的增加的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的矩阵变换器的结构例的图。
图2是表示双向开关的结构例的图。
图3是表示向各输出相输出的输入相电压的切换的一例的图。
图4是表示多个双向开关的单向开关和门信号的对应关系的图。
图5A是表示在四步电流换流法中输出相电流为正时的、输出相电压及门信号的关系的图。
图5B是表示在四步电流换流法中输出相电流为负时的、输出相电压及门信号的关系的图。
图6是表示图5A所示的四步电流换流法中的单向开关的状态的图。
图7是表示四步电压换流法中的输出相电压、门信号、以及与换流动作的各步骤之间的关系的图。
图8是表示图7所示的四步电压换流法中的单向开关的状态的图。
图9A是表示三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图9B是表示三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图10A是表示三步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图10B是表示三步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图11A是表示模拟三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图11B是表示模拟三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图12A是表示三步电压电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图12B是表示三步电压电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图13A是表示二步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图13B是表示二步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图14是表示第一二步电压换流法中的输出相电压、门信号、以及换流动作的各步骤之间的关系的图。
图15A是表示第二二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图15B是表示第二二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图16A是表示第三二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图16B是表示第三二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图17A是表示一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图17B是表示一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图18A是表示模拟一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图18B是表示模拟一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。
图19A是表示两个单向开关接通时的输出相电流的流动的图。
图19B是表示一个单向开关接通、另一个单向开关断开时的输出相电流的流动的图。
图20是表示各换流法中的开关损耗和导通损耗的关系的图。
图21是表示控制部的结构例的图。
图22是表示基于换流部的换流法的选择例的图。
图23是表示换流部的结构的一例的图。
图24是表示输出相电流和规定范围的关系的图。
图25是表示输入相电压和规定范围的关系的图。
图26是表示换流部的结构的另一例的图。
图27是表示选择比例相对于电力损耗的变化例的图。
图28是表示控制部的控制处理的流程的一例的流程图。
附图标记说明
1矩阵变换器
2三相交流电源
3负载
10电力转换部
11LC滤波器
12输入电压检测部
13输出电流检测部
20控制部
30电压指令运算部
31PWM占空比运算部
32换流部
41电压判定部
42电流判定部
43换流控制部
44选择部
45导通损耗判定部
46、48比较部
47开关损耗判定部
49换流法选择部(条件变更部的一例)
65阈值调整部(条件变更部的一例)
71第一换流法组
72第二换流法组
73第三换流法组
74第四换流法组
具体实施方式
以下，参考附图对本申请公开的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置以及矩阵变换器的控制方法的实施方式进行详细说明。此外，本发明不限于以下所示的实施方式。
[1.矩阵变换器的结构]
图1是表示实施方式涉及的矩阵变换器的结构例的图。如图1所示，实施方式涉及的矩阵变换器1设置于三相交流电源2(以下，仅记为交流电源2)和负载3之间。交流电源2例如是电力系统。另外，负载3例如是交流电动机或交流发电机。以下，将交流电源2的R相、S相和T相记载为输入相，将负载3的U相、V相和W相记载为输出相。
矩阵变换器1具备：输入端子Tr、Ts、Tt；输出端子Tu、Tv、Tw；电力转换部10；LC滤波器11；输入电压检测部12；输出电流检测部13；以及控制部20。矩阵变换器1将从交流电源2经由输入端子Tr、Ts、Tt供给的三相交流电压转换成任意的电压和频率的三相交流电压并从输出端子Tu、Tv、Tw向负载3输出。
电力转换部10具备连接交流电源2的各相和负载3的各相的多个双向开关Sru、Ssu、Stu、Srv、Ssv、Stv、Srw、Ssw、Stw(以下，有时统称作双向开关S)。
双向开关Sru、Ssu、Stu分别连接交流电源2的R相、S相、T相和负载3的U相。双向开关Srv、Ssv、Stv分别连接交流电源2的R相、S相、T相和负载3的V相。双向开关Srw、Ssw、Stw分别连接交流电源2的R相、S相、T相和负载3的W相。
图2是表示双向开关S的结构例的图。如图2所示，例如，双向开关S具有将单向开关Sio和二极管Doi的并联连接电路、与单向开关Soi和二极管Dio的并联连接电路串联的结构。
此外，双向开关S只要是具有多个单向开关而能够控制导通方向的结构即可，不限于图2所示的结构。例如，也可以是将单向开关Sio和二极管Dio的串联连接电路、与单向开关Soi和二极管Doi的串列连接电路并联连接的结构。
另外，单向开关Sio、Soi是半导体开关元件，例如，是MOSFET(Metal－Oxide－SemiconductorField－EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等单极晶体管。单向开关Sio、Soi例如也可以是GaN的FET、SiC的MOSFET等那样的宽带隙的半导体开关元件。另外，单向开关Sio、Soi例如也可以是IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等半导体开关元件。
返回到图1，继续矩阵变换器1的说明。LC滤波器11设置于交流电源2的R相、S相及T相与电力转换部10之间。该LC滤波器11包括三个电抗器Lr、Ls、Lt和三个电容器Crs、Cst、Ctr，去除由双向开关S的开关引起的高频成分。
输入电压检测部12检测交流电源2的R相、S相、T相的各相电压。例如，输入电压检测部12检测交流电源2的R相、S相、T相的各相电压的瞬时值Er、Es、Et(以下，记载为输入相电压Er、Es、Et)。
输出电流检测部13检测在电力转换部10和负载3之间流动的电流。例如，输出电流检测部13检测在电力转换部10和负载3的U相、V相、W相的各相之间流动的电流的瞬时值Iu、Iv、Iw(以下，记载为输出相电流Iu、Iv、Iw)。
此外，以下，有时将交流电源2的R相、S相、T相的各相的电压统一记载为输入相电压Vi，将输出相电流Iu、Iv、Iw统一记载为输出相电流Io。另外，有时将从电力转换部10向负载3的U相、V相、W相的各相输出的电压记载为输出相电压Vu、Vv、Vw。
控制部20基于输入相电压Er、Es、Et和输出相电流Iu、Iv、Iw，生成门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w。
图3是表示向输出相输出的输入相电压Ep、Em、En的切换的一例的图。输入相电压Ep是输入相电压Er、Es、Et中的最大的输入相电压。输入相电压Em是输入相电压Er、Es、Et中的中间的输入相电压。输入相电压En是输入相电压Er、Es、Et中的最小的输入相电压。
如图3所示，通过由门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w对双向开关S的控制，在PWM电压指令的每个载波期间Tc，例如向输出相输出的输入相电压切换为En→Em→Ep→Em→En。此外，向输出相输出的输入相电压的切换有时根据换流模式而不同，而不限于图3所示的例子。
图4是表示多个双向开关Sru、Ssu、Stu、Srv、Ssv、Stv、Srw、Ssw、Stw的单向开关Sio、Soi与门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w的对应关系的图。此外，在图4中，省略了LC滤波器11和输出电流检测部13。
双向开关Sru、Ssu、Stu的单向开关Sio(参考图2)分别由门信号S1u、S3u、S5u控制。另外，双向开关Sru、Ssu、Stu的单向开关Soi(参考图2)分别由门信号S2u、S4u、S6u控制。
控制部20进行以下的换流控制：基于输入相电压Vi的状态和输出相电流Io的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式，并利用所选择的换流模式控制双向开关S从而切换交流电源2和负载3的连接状态。以抑制在双向开关S上产生的电力损耗的增加的方式来选择成为控制部20的选择对象的换流模式。以下，依次说明换流模式的种类、在双向开关S上产生的电力损耗、以及控制部20。
[2.换流模式]
换流模式根据换流法而各不相同。作为换流法，例如有四步电流换流法、四步电压换流法、三步电流换流法、三步电压换流法、模拟三步电流换流法、三步电压电流换流法、二步电流换流法、第一～第三二步电压换流法、一步电流换流法、模拟一步电流换流法等。以下，分别对这些换流法的换流模式进行说明。
(四步电流换流法的换流模式)
在四步电流换流法中，为了防止输入相间的短路和输出相的开路，根据输出相电流Io的极性，利用由以下步骤1～步骤4组成的换流模式进行换流控制。
步骤1：使构成切换源的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相反极性的单向开关断开。
步骤2：使构成切换目标的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相同极性的单向开关接通。
步骤3：使构成切换源的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相同极性的单向开关断开。
步骤4：使构成切换目标的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相反极性的单向开关接通。
基于四步电流换流的换流控制例如如图5A和图5B所示那样执行。图5A和图5B是表示四步电流换流法中的输出相电压Vu和门信号S1u～S6u的关系的图。图5A表示输出相电流Iu为正时的换流控制，图5B表示输出相电流Iu为负时的换流控制。另外，图6是表示图5A所示的时刻t1～t4下的单向开关Sio、Soi的状态的图。此外，设为处于Ep＝Er、Em＝Es、En＝Et的状态。
(四步电压换流法的换流模式)
在四步电压换流法中，为了防止输入相间的短路和输出相的开路，根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系，利用由以下的步骤1～步骤4组成的换流模式进行换流控制。
步骤1：使成为切换目标的被反向偏压的单向开关接通。
步骤2：使成为切换源的被反向偏压的单向开关断开。
步骤3：使成为切换目标的被正向偏压的单向开关接通。
步骤4：使成为切换源的被正向偏压的单向开关断开。
此外，在单向开关Sio中，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压低的状态称作反向偏压，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压高的状态称作正向偏压。另外，在单向开关Soi中，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压低的状态称作正向偏压，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压高的状态称作反向偏压。
基于四步电压换流的换流控制例如如图7所示那样执行。图7是表示四步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。图8是表示图7所示的时刻t1～t4下的单向开关Sio、Soi的状态的图。此外，设为处于Ep＝Er、Em＝Es、En＝Et的状态。
(三步电流换流法的换流模式)
三步电流换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该三步电流换流法同时进行四步电流换流法的四步中的两步。该三步电流换流法例如同时进行四步电流换流法的步骤1～步骤4中的、使被反向偏压的两个单向开关中的一个开关断开的步骤和使被反向偏压的两个单向开关中的另一个开关接通的步骤。
基于三步电流换流法的换流控制例如如图9A和图9B所示那样执行。图9A和图9B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(三步电压换流法的换流模式)
三步电压换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该三步电压换流法同时进行四步电压换流法的四步中的两步。三步电压换流法例如同时进行四步电压换流法的步骤1～步骤4中的、使与输出相电流Io相反极性的开关断开的步骤和使与输出相电流Io相反极性的开关接通的步骤。
基于三步电压换流法的换流控制如图10A和图10B所示那样执行。图10A和图10B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(模拟三步电流换流法的换流模式)
模拟三步电流换流法是根据输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该模拟三步电流换流法例如同时进行四步电流换流法的步骤1～步骤4中的、使与输出相电流Io相同极性的两个开关中的一个开关断开的步骤和使与输出相电流Io相同极性的两个开关中的另一个开关接通的步骤。
基于模拟三步电流换流法的换流控制例如如图11A和图11B所示那样执行。图11A和图11B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(三步电压电流换流法的换流模式)
三步电压电流换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该三步电压电流换流法的步骤1～步骤3例如是三步电流换流法的步骤1～3的一部分和三步电压换流法的步骤1～3的一部分组合后的步骤。
基于三步电压电流换流法的换流控制例如如图12A和图12B所示那样执行。图12A和图12B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电压电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(二步电流换流法的换流模式)
二步电流换流法是根据输出相电流Io的极性在二步中切换向输出相输出的输入相电压的换流方法。该二步电流换流法例如使成为切换目标的双向开关S中的与输出相电流Io的极性相同极性的单向开关接通(步骤1)。然后，之后使成为切换源的双向开关S中的与输出相电流Io的极性相同极性的单向开关断开(步骤2)。
基于二步电流换流法的换流控制例如如图13A和图13B所示那样执行。图13A和图13B是与图5A和图5B相对应的图，是表示二步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(第一二步电压换流法的换流模式)
第一二步电压换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系在二步中切换向输出相输出的输入相电压的电压换流法。该第一二步电压换流法例如在要切换成En→Em→Ep的情况下，使成为切换源的单向开关Soi断开，使成为切换目标的单向开关Sio接通。另外，第一二步电压换流法例如是在要切换成Ep→Em→En的情况下，使成为切换源的单向开关Sio断开，使成为切换目标的单向开关Soi接通的换流法。
基于第一二步电压换流法的换流控制例如如图14所示那样执行。图14是与图7相对应的图，是表示第一二步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(第二二步电压换流法的换流模式)
第二二步电压换流法是根据输入相的相间电压的大小关系在二步中切换向输出相输出的输入相电压的电压换流法。该第二二步电压换流法是利用输入相的最小相间电压的换流被禁止的换流法。
基于第二二步电压换流法的换流控制例如如图15A和图15B所示那样执行。图15A和图15B是与图7相对应的图，是表示第二二步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。图15A表示Ep－Em＞Em－En的情况的例子，图15B表示Ep－Em＜Em－En的情况的例子。
(第三二步电压换流法的换流模式)
第三二步电压换流法是根据输入相的相间电压的大小关系在二步中切换向输出相输出的输入相电压的电压换流法。
基于第三二步电压换流法的换流控制例如如图16A和图16B所示那样执行。图16A和图16B是与图7相对应的图，是表示第三二步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。图16A表示Ep－Em＞Em－En的情况的例子，图16B表示Ep－Em＜Em－En的情况的例子。
(一步电流换流法的换流模式)
一步电流换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在每一步中切换向输出相输出的输入相电压的换流方法。该一步电流换流法例如是使与输出相电流Io的极性相同极性且被正向偏压的单向开关依次接通、或者使与输出相电流Io的极性相同极性且被反向偏压的单向开关依次断开的换流法。
基于一步电流换流法的换流控制例如如图17A和图17B所示那样执行。图17A和图17B是与图5A和图5B相对应的图，是表示一步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
(模拟一步电流换流法的换流模式)
模拟一步电流换流法是根据输出相电流Io的极性在每一步中切换向输出相输出的输入相电压的换流方法。该模拟一步电流换流法例如是切换与输出相电流Io的极性相同极性的单向开关的换流法。
基于模拟一步电流换流法的换流控制例如如图18A和图18B所示那样执行。图18A和图18B是与图5A和图5B相对应的图，是表示模拟一步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。
[3.在双向开关S上产生的电力损耗]
接下来，对在双向开关S上产生的电力损耗进行说明。在双向开关S上产生的电力损耗具有导通损耗和开关损耗。
首先，对导通损耗进行说明。在单向开关Sio、Soi是单极晶体管的情况下，在换流控制中，有时使构成双向开关S的单向开关Sio、Soi中的一个开关接通，使单向开关Sio、Soi中的另一个开关断开。该情况下，与单向开关Sio、Soi一起接通的情况相比，导通损耗较大。
图19A是表示单向开关Sio、Soi两者接通时的输出相电流Io的流动的图，图19B是表示单向开关Sio接通、单向开关Soi断开时的输出相电流Io的流动的图。
如图19A所示，在构成双向开关S的单向开关Sio、Soi两者接通的情况下，输出相电流Io流经单向开关Sio，并进一步分流流经单向开关Soi和二极管Dio。
另一方面，如图19B所示，在单向开关Sio接通、单向开关Soi断开的情况下，输出相电流Io经由单向开关Sio而在二极管Dio中流动。由二极管Dio的正方向电压Vf引起的导通损耗比由单向开关Soi的接通电阻引起的导通损耗大。因此，与图19A所示的情况相比，图19B所示的情况的导通损耗变大。
由于输出相电流Io越大导通损耗就越大，因此使双向开关S的导通方向为双向的期间越长，导通损耗就越少。因此，为了减小导通损耗，期望尽可能延长使双向开关S的导通方向为双向的期间。
接下来，对在双向开关S上产生的开关损耗进行说明。开关损耗是使构成双向开关S的单向开关Sio、Soi接通、断开时在单向开关Sio、Soi上消耗的电力。
在第二二步电压换流的情况下，在禁止利用输入相的最小相间电压的换流的换流法中，开关损耗增加。例如，如图15A所示，换流模式为En→Ep→Em→Ep→En，因此，在线间电压高的状态下进行开关，例如与四步电流换流法等相比，开关损耗增加1.5～2倍。
这种开关损耗不限于单向开关Sio、Soi是单极晶体管的情况，单向开关Sio、Soi是IGBT的情况下，也是同样的。
图20是表示各换流法中的开关损耗和导通损耗的关系的图。如图20所示，开关损耗和导通损耗在各换流法中各不相同。此外，在单向开关Sio、Soi是IGBT的情况下，导通损耗之差少。
[4.控制部20的结构]
图21是表示控制部20的结构例的图。如图21所示，控制部20具有电压指令运算部30、PWM占空比运算部31、以及换流部32。
控制部20例如包括：具有CPU(CentralProcessingUnit：中央处理器)、ROM(ReadOnlyMemory：只读存储器)、RAM(RandomAccessMemory：随机存取存储器)、输入输出端口等的微型计算机和各种电路。微型计算机的CPU通过读出并执行存储在ROM中的程序，而作为电压指令运算部30、PWM占空比运算部31以及换流部32发挥功能。
另外，电压指令运算部30、PWM占空比运算部31和换流部32的至少任一个或者全部也可由ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit：专用集成电路)、FPGA(FieldProgrammableGateArray：现场可编程门阵列)等硬件构成。
[4.1.电压指令运算部30]
电压指令运算部30基于频率指令f*和输出相电流Iu、Iv、Iw，生成并输出各输出相的电压指令Vu*、Vv*、Vw*。频率指令f*是输出相电压Vu、Vv、Vw的频率的指令。
[4.2.PWM占空比运算部31]
PWM占空比运算部31基于电压指令Vu*、Vv*、Vw*和输入相电压Er、Es、Et，生成PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*。生成PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*的技术是公知技术，例如，使用在日本特开2008－048550号公报、日本特开2012－239265号公报等中记载的技术。
例如，PWM占空比运算部31在输入相电压Er、Es、Et的大小的大小关系不变的期间中，按输入相电压Er、Es、Et的大小由大到小的顺序，设为输入相电压Ep、Em、En。PWM占空比运算部31将电压指令Vu*、Vv*、Vw*转换为与输入相电压Ep、Em、En的各电压值相对应的脉宽调制信号，并分别输出作为PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*。
[4.3.换流部32]
换流部32执行通过双向开关S切换与输出相连接的输入相的换流控制。该换流部32例如基于每个输出相电流Iu、Iv、Iw的极性以及输入相电压Er、Es、Et的大小的大小关系中的至少任一者，选择换流法A～D中的任一换流法。换流部32以形成与所选择的换流法的换流模式相对应的切换顺序的方式，由PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*生成门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w。
以下，有时将每个输出相电流Iu、Iv、Iw的极性记载为输出电流极性，有时将输入相电压Er、Es、Et的大小的大小关系记载为输入电压位次。另外，有时将门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w统称为门信号Sg。
图22是表示基于换流部32的换流法的选择例的图。如图22所示，换流部32例如在有可能弄错输入电压位次的情况下，选择换流法A，在有可能弄错输出电流极性的情况下，选择换流法B。另外，换流部32在有可能弄错输入电压位次和输出电流极性两者的情况下，选择换流法C，而不选择换流法A、B。另外，换流部32在不可能弄错输入电压位次和输出电流极性两者的情况下，选择换流法D。
图23是表示换流部32的结构的一例的图。如图23所示，换流部32具备电压判定部41、电流判定部42、换流控制部43、选择部44、导通损耗判定部45、比较部46、48、开关损耗判定部47、换流法选择部49(条件变更部的一例)、以及切换部50。换流部32也可以取代具备导通损耗判定部45和开关损耗判定部47这两者，仅具备导通损耗判定部45，或者仅具备开关损耗判定部47。
电压判定部41判定输入电压位次，并将判定结果通知给换流控制部43。另外，如图24所示，电压判定部41判定输入相的相间电压(例如，R相和S相之间的电压)是否在规定范围RA内。图24是表示输入相电压Er、Es、Et和规定范围RA的关系的图。此外，电压判定部41也能够基于输入相电压Vi的相位θi，判定输入相的相间电压是否在规定范围RA内。
电流判定部42判定输出电流极性，并将该判定结果通知给换流控制部43。另外，如图25所示，电流判定部42判定输出相电流Io是否在包含零的规定范围RB内。图25是表示输出相电流Io和规定范围RB的关系的图。此外，电流判定部42也能够基于输出相电流Io的相位θo，判定输出相电流Io是否在规定范围RB内。
换流控制部43例如具备第一～第四换流控制部51～54。第一～第四换流控制部51～54基于输出电流极性和输入电压位次，利用由换流法选择部49选择出的换流法组中包含的换流法的换流模式，生成门信号Sg。
第一换流控制部51利用换流法A的换流模式来生成门信号Sg，第二换流控制部52利用换流法B的换流模式来生成门信号Sg。另外，第三换流控制部53利用换流法C的换流模式来生成门信号Sg，第四换流控制部54利用换流法D的换流模式来生成门信号Sg。
选择部44基于电压判定部41的判定结果和电流判定部42的判定结果中的至少任一者，从第一～第四换流控制部51～54之中选择一个换流控制部，并使所选择的换流控制部执行换流控制。
选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA外、且输出相电流Io在规定范围RB内的情况下，选择第一换流控制部51。另外，选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA内、且输出相电流Io在规定范围RB外的情况下，选择第二换流控制部52。
另外，选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA内、且输出相电流Io在规定范围RB内的情况下，选择第三换流控制部53。另外，选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA外、且输出相电流Io在规定范围RB外的情况下，选择第四换流控制部54。
导通损耗判定部45基于换流控制部43的换流控制状态，判定由换流控制产生的导通损耗。各换流法的导通损耗例如处于图20所示的关系。
导通损耗判定部45例如基于换流控制部43所使用的换流法i(i＝A、B、C、D)的导通损耗Pci和换流法i的选择比例Ki，判定由换流控制产生的导通损耗。导通损耗判定部45例如通过下式(1)的运算，判定由换流控制产生的导通损耗Pc。
【式1】
Pc＝ΣKi·Pci(i＝A，B，C，D)…(1)
比较部46比较由导通损耗判定部45判定的导通损耗Pc(以下，记载为导通损耗判定值)和导通损耗限制值Pth1，在导通损耗判定值Pc超过导通损耗限制值Pth1的情况下，输出导通损耗抑制指令。
开关损耗判定部47基于换流控制部43的换流控制状态，判定由换流控制产生的开关损耗。各换流法的开关损耗例如处于图20所示的关系。
开关损耗判定部47例如基于换流控制部43所使用的换流法i(i＝A、B、C、D)的开关损耗Psi和换流法i的选择比例Ki，判定由换流控制产生的开关损耗Ps。开关损耗判定部47例如通过下式(2)的运算，判定由换流控制产生的开关损耗Ps。
【式2】
Ps＝ΣKi·Psi(i＝A，R，C，D)…(2)
比较部48比较由开关损耗判定部47判定的开关损耗Ps(以下，记载为开关损耗判定值)和开关损耗限制值Pth2。比较部48在开关损耗判定值Ps超过开关损耗限制值Pth2的情况下，输出开关损耗抑制指令。
换流法选择部49基于比较部46、48的比较结果，从第一至第四换流法组71～74之中，选择用于使换流控制部43执行换流控制的换流法组。
第一换流法组71例如是组合成使电力转换精度变得良好的换流法A～D的组。电力转换精度良好的组合例如是：换流法A～C是第二二步换流法或第三二步电压换流法，换流法D是一步电流换流法或模拟一步电流换流法。
第二换流法组72例如是组合成使导通损耗变少的换流法A～D的组。导通损耗少的组合例如是：换流法A是四步电流换流法，换流法B是四步电压换流法，换流法C、D是四步电流换流法或四步电压换流法。
第三换流法组73例如是组合成使开关损耗变少的换流法A～D的组。开关损耗少的组合例如是：换流法A是三步电流换流法，换流法B是第二二步电压换流法，换流法C、D是三步电流换流法或第二二步电压换流法。
第四换流法组74例如是组合成使导通损耗和开关损耗变少的换流法A～D的组。导通损耗和开关损耗少的组合例如是：换流法A是三步电流换流法，换流法B是三步电压换流法，换流法C、D是三步电流换流法或三步电压换流法。
换流法选择部49例如在比较部46未输出导通损耗抑制指令、且比较部48未输出开关损耗抑制指令的情况下，选择第一换流法组71，并设定于换流控制部43。由此，基于第一换流法组71的换流法A～D的换流控制由换流控制部43执行，从而能够提高电力转换精度。
另外，换流法选择部49例如在比较部46未输出导通损耗抑制指令、且比较部48未输出开关损耗抑制指令的情况下，选择第二换流法组72，并设定于换流控制部43。由此，基于第二换流法组72的换流法A～D的换流控制由换流控制部43执行，从而能够减小导通损耗。
另外，换流法选择部49例如在比较部46未输出导通损耗抑制指令、且比较部48未输出开关损耗抑制指令的情况下，选择第三换流法组73，并设定于换流控制部43。由此，基于第三换流法组73的换流法A～D的换流控制由换流控制部43执行，从而能够减小开关损耗。
另外，换流法选择部49例如在比较部46输出了导通损耗抑制指令、且比较部48输出了开关损耗抑制指令的情况下，选择第四换流法组74，并设定于换流控制部43。由此，基于第四换流法组74的换流法A～D的换流控制由换流控制部43执行，从而能够减小导通损耗和开关损耗。
如此，换流法选择部49基于由换流控制产生的双向开关S上的电力损耗的判定结果，变更由选择部44选择出的换流模式。由此，能够抑制在双向开关S上产生的电力损耗的增加。
另外，换流法选择部49在电力损耗为预先设定的限制值以下的情况下，选择电力损耗的发生相对较大的换流模式的换流组，在电力损耗超过限制值的情况下，选择电力损耗的发生相对较小的换流模式的换流组。
由此，在电力损耗为预先设定的限制值以下的情况下，例如，通过使用电力转换精度高的换流法，能够提高矩阵变换器1的电力转换精度。另外，在电力损耗超过限制值的情况下，能够抑制矩阵变换器1的电力损耗的增加。
此外，在上述的实施方式中，换流法选择部49选择了换流法组，但也可以基于电力损耗，独立变更各换流法A～D。例如，换流法选择部49可以针对换流法A～D中的一部分换流法，以使导通损耗判定值Pc成为限制值以下的方式来选择换流法，并针对剩余的换流法，以使开关损耗判定值Ps成为限制值以下的方式来选择换流法。另外，换流法选择部49选择了换流法组，但也可以基于导通损耗判定值Pc或开关损耗判定值Ps，变更换流法A～D中的仅一个换流法。
换流法选择部49例如将所确定的换流模式的表的信息设定于第一至第四换流控制部51～54。也可以，第一至第四换流控制部51～54例如存储有多个换流模式的表，换流法选择部49将表示换流法的编号的信息通知给第一至第四换流控制部51～54。该情况下，第一至第四换流控制部51～54也可以基于与由换流法选择部49通知的换流法的编号对应的换流法的换流模式的表来生成门信号Sg。
切换部50在如上所述利用由选择部44选择的换流模式进行换流控制的第一模态和使用固定的换流模式进行换流控制的第二模态之间进行切换。换流控制部43在由切换部50设定成第一模态的情况下，通过第一至第四换流控制部51～54中的由选择部44选择出的换流控制部，生成门信号Sg。
另外，换流控制部43在由切换部50设定成第二模态的情况下，通过预先设定的换流法(例如，第二二步电压换流法)的换流模式，生成门信号Sg。此外，在其他例的第二模态中，例如，通过第一至第四换流控制部51～54中的第一换流控制部51生成门信号Sg。
另外，在图23所示的例子中，对换流控制部43具有第一至第四换流控制部51～54的例子进行了说明，但也可以在换流控制部43中将换流法的换流模式的所有的必要的组合保存作为表。该情况下，换流控制部43从换流法选择部49所确定的换流法A～D的组合中，选择与输出电流极性、输入电压位次相对应的换流法，并使用所选择的换流法的换流模式生成门信号Sg。
图26是表示换流部32的结构的另一例的图。如图26所示，换流部32具备电压判定部41、电流判定部42、换流控制部43、选择部44、导通损耗判定部45、开关损耗判定部47、减法部61、62、放大部63、64、阈值调整部65(条件变更部的一例)、以及切换部50。换流部32也可以取代具备导通损耗判定部45和开关损耗判定部47两者，而仅具备导通损耗判定部45，或仅具备开关损耗判定部47。此外，在下面，主要说明与图23所示的换流部32的不同之处，对具有与图23所示的换流部32相同功能的结构要素标注相同的附图标记并省略说明。
减法部61从由导通损耗判定部45获得的导通损耗判定值Pc中减去导通损耗目标值Pt1，减法部62从由开关损耗判定部47获得的开关损耗判定值Ps中减去开关损耗目标值Pt2。
放大部63对基于减法部61的减法结果ΔPc乘以增益K1，并将该乘法结果输出作为导通损耗调整值P1。另外，放大部64对基于减法部62的减法结果ΔPs乘以增益K2，并将该乘法结果输出作为开关损耗调整值P2。阈值调整部65基于导通损耗调整值P1和开关损耗调整值P2，调整在选择部44中使用的规定范围RA、RB。
图27是表示选择比例相对于电力损耗的变化例的图。图27表示将换流法A、D设为一步电流换流法、将换流法B设为三步电压换流法、将换流法C设为第二二步电压换流法时的例子。由于设定为换流法C的第二二步电压换流法的开关损耗大，因此阈值调整部65如图27所示，开关损耗判定值Ps越大，就越减小规定范围RA，从而减少换流法C的选择比例。另外，由于设定为换流法A、D的一步电流换流法的导通损耗大，因此阈值调整部65如图27所示，导通损耗判定值Pc越大，就越减小规定范围RB，从而减少换流法D的选择比例。
如此，阈值调整部65以使导通损耗判定值Pc成为导通损耗目标值Pt1、开关损耗判定值Ps成为开关损耗目标值Pt2的方式，调整规定范围RA、RB。由此，能够将在双向开关S上产生的电力损耗抑制到目标值。另外，例如，通过使用电力转换精度高的换流法，能够提高矩阵变换器1的电力转换精度。
此外，阈值调整部65也可以在导通损耗判定值Pc超过导通损耗目标值Pt1的情况下、开关损耗判定值Ps超过开关损耗目标值Pt2的情况下，调整规定范围RA、RB。该情况下，导通损耗目标值Pt1和开关损耗目标值Pt2成为限制值，导通损耗判定值Pc被限制在导通损耗目标值Pt1以下，并且，开关损耗判定值Ps被限制在开关损耗目标值Pt2以下。
此外，阈值调整部65也能够以仅调整导通损耗判定值Pc的方式调整规定范围RA、RB，并且，也能够以仅调整开关损耗判定值Ps的方式调整规定范围RA、RB。
[5.控制部20的控制流程]
图28是表示控制部20的控制处理的流程的一例的流程图。控制部20以规定周期反复执行图28所示的控制处理。
如图28所示，控制部20基于输入相电压Vi的状态和输出相电流Io的状态，从换流法A～D之中选择一个换流法(步骤S10)。控制部20例如基于输入相的相间电压是否在规定范围RA内、以及输出相电流Io是否在规定范围RB内，从换流法A～D之中选择一个换流法。
控制部20基于输出电流极性和输入电压位次，进行利用在步骤S10中选择的换流法的换流模式的换流控制(步骤S11)。
接下来，控制部20基于各换流法A～D的电力损耗和各换流法的选择比例，判定在双向开关S上产生的电力损耗(步骤S12)。换流法A～D的电力损耗例如是导通损耗或开关损耗。
控制部20基于在双向开关S上产生的电力损耗，更新换流法A～D的组合或选择条件(步骤S13)。例如，控制部20以使电力损耗为限制值以下的方式选择换流法A～D的组合，或者以使电力损耗为限制值以下的方式变更规定范围RA、RB。
此外，在上述的实施方式中，将换流控制中使用的组合设为四个换流法A～D的组合，但换流控制中使用的组合也可以是两个或三个换流法的组合，也可以是五个以上的换流法的组合。
另外，在上述的实施方式中，对换流部32具有第一至第四换流控制部51～54的构成进行了说明，但也可以构成为由一个换流控制部进行利用多种换流法的换流模式的换流控制。
另外，控制部20也能够同时进行以使电力损耗为限制值以下或目标值的方式选择换流法A～D的组合的处理、以及以使电力损耗为限制值以下或目标值的方式变更规定范围RA、RB的处理。
本领域的技术人员能够容易导出本发明进一步的效果和变形例。因此，本发明的更广泛的方式不限于如上表示和记述的特定的细节和代表性的实施方式。因此，在不脱离由所附权利要求书及其等同物定义的总的发明概念的精神或范围的情况下，能够进行各种变更。

Claims (8)

1.一种矩阵变换器，其特征在于，具备：
电力转换部，其具有多个双向开关，并在交流电源的各相和负载的各相之间设有所述多个双向开关；
选择部，其基于所述交流电源的相电压的状态和所述负载的相电流的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式；
换流控制部，其利用由所述选择部选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制；
判定部，其判定由所述换流控制产生的所述双向开关的电力损耗；以及
条件变更部，其基于由所述判定部判定出的所述电力损耗，来变更成为所述选择部的选择对象的所述换流模式或该换流模式的选择条件。
2.根据权利要求1所述的矩阵变换器，其特征在于，
所述条件变更部变更所述多种换流模式中的成为所述选择部的选择对象的所述换流模式的组。
3.根据权利要求2所述的矩阵变换器，其特征在于，
所述判定部将由所述换流控制产生的所述双向开关的导通损耗和开关损耗中的至少任一者判定为所述电力损耗，
所述条件变更部在所述电力损耗为预先设定的限制值以下的情况下，将所述电力损耗的发生相对较大的所述换流模式的组作为所述选择对象，在所述电力损耗超过所述限制值的情况下，将所述电力损耗的发生相对较小的所述换流模式的组作为所述选择对象。
4.根据权利要求1所述的矩阵变换器，其特征在于，
所述条件变更部基于由所述判定部判定出的所述电力损耗，来变更相对于所述相电压的状态和所述相电流的状态中的至少任一者的所述换流模式的选择条件。
5.根据权利要求4所述的矩阵变换器，其特征在于，
所述判定部将由所述换流控制产生的所述双向开关的导通损耗和开关损耗中的至少任一者判定为所述电力损耗，
所述条件变更部以使所述电力损耗成为预先设定的限制值以下的方式，来变更相对于所述相电压的状态和所述相电流的状态中的至少任一者的所述换流模式的选择条件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的矩阵变换器，其特征在于，
所述矩阵变换器具备切换部，其在利用由所述选择部选择出的换流模式进行换流控制的第一模态和利用固定的换流模式进行换流控制的第二模态之间进行切换，
所述换流控制部基于由所述切换部切换出的模态来进行所述换流控制。
7.一种矩阵变换器的控制装置，其特征在于，具备：
选择部，其基于经由具有多个双向开关的电力转换部而相互连接的交流电源的各相和负载的各相的各自的状态，从多种换流模式之中选择一个换流模式；
换流控制部，其利用由所述选择部选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制；
判定部，其判定由所述换流控制产生的所述双向开关的电力损耗；以及
条件变更部，其基于由所述判定部判定出的所述电力损耗，来变更成为所述选择部的选择对象的所述换流模式或该换流模式的选择条件。
8.一种矩阵变换器的控制方法，其特征在于，包括：
选择工序，基于经由具有多个双向开关的电力转换部而相互连接的交流电源的各相和负载的各相的各自的状态，从多种换流模式之中选择一个换流模式；
换流控制工序，利用由所述选择工序选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制；
判定工序，判定由所述换流控制产生的所述双向开关的电力损耗；以及
条件变更工序，基于由所述判定工序判定出的所述电力损耗，来变更成为所述选择工序的选择对象的所述换流模式或该换流模式的选择条件。
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