JP2001157441A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、昇降圧電力変換器の電力損失が少
ない、高効率な電力変換装置を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 電力変換装置は、商用交流電源の電圧波
形の実効レベルを求め、この実効レベルに正常な商用交
流の係数をかけて、その商用交流のピーク値Ｖｉｎｐを
求める実効値演算部９１と、ピーク値Ｖｉｎｐが所定の
範囲内であるときには該ピーク値Ｖｉｎｐを、所定の範
囲の上限値より大きいときには該上限値を、所定の範囲
の下限値より小さいときには該下限値を出力するリミッ
タ９３と、リミッタの出力信号と、商用交流電源の電圧
波形と同期する発振器１０３の出力信号との積から、指
令出力電圧値を生成し、これを制御部２に設定する乗算
器９４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばコンピュー
タシステムの無停電電源装置として用いられる電力変換
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に無停電制御装置には、電力変換装
置が用いられる。この従来の電力変換装置の構成を以下
に説明する。

【０００３】図８は従来の電力変換装置の概略構成図で
ある。この電力変換装置は、商用交流電源１００の交流
電圧信号Ｖｉｎを昇降圧電力変換器１０１に入力し、後
述する出力電圧指令値Ｖｄに基づいて、交流電圧信号Ｖ
ｉｎを昇降圧することで一定の出力電力を負荷１１０に
供給する構成である。

【０００４】また、交流電源１００の交流電圧信号Ｖｉ
ｎの位相同期をとった同期信号を生成する同期回路１０
４と、同期信号に同期した位相の所定レベルの正弦波信
号を発生する正弦波発振器１０３と、この正弦波信号と
基準電源１０５とを乗算した出力電圧指令値Ｖｄを昇降
圧電力変換器１０１に送出する乗算器１０６とを備えて
いる。

【０００５】そして、昇降圧電力変換器１０１は、交流
電圧信号Ｖｉｎが前述の乗算器１０６からの所定の指令
出力電圧値Ｖｄよりも大きいときには交流電圧信号Ｖｉ
ｎを降圧して負荷１１０に一定出力電圧を送出し、等し
いときには交流電圧信号Ｖｉｎを非変換出力する。

【０００６】また、小さいときには交流電圧信号Ｖｉｎ
を昇圧して負荷１１０に一定出力電圧電圧を送出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電力変換装置には、商用交流電源１００の交流電圧信号
と、この交流電圧信号に同期させて当該装置が生成した
交流電圧信号の出力電圧指令値との差に基づいて制御し
ている。このため、この差が大きくなるに従い、スイッ
チング動作が頻繁になるので、電力変換装置における電
力損失が増大するという課題がある。

【０００８】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
昇降圧電力変換器の電力損失が少ない、高効率な電力変
換装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、商用交流電源
を入力し、該商用交流電源の電圧波形に同期した所定の
指令出力電圧値との差に基づいて、スイッチング動作で
交流電源電圧を昇降圧して負荷に一定出力電圧を得る電
力変換装置において、商用交流電源の電圧波形の直流量
を求め、この直流量の電圧と、歪みのない商用の交流電
源の電圧波形の係数とから元の商用の交流電源の電圧波
形のピーク値を求める手段と、ピーク値が所定の範囲内
であるときには該ピーク値を、所定の範囲の上限値より
大きいときには、該上限値を、所定の範囲の下限値より
小さいときには該下限値を出力するリミッタ手段と、リ
ミッタの出力信号と、商用交流電源の電圧波形と同期す
る発振器の出力信号とから、指令出力電圧値を生成する
指令出力電圧生成手段とを備えたことを要旨とする。

【００１０】また、指令出力電圧生成手段は、リミッタ
手段の出力信号と、商用交流電源の電圧波形に同期する
正弦波発振器の出力信号との積を、指令出力電圧値とす
ることを要旨とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１２】図１は、本発明の実施の形態を示す図であ
る。本実施の形態に係る電力変換装置は、商用交流電源
１００に接続された第１及び第２の交流電源端子４、５
間の電圧を、制御回路２により制御される変換回路１に
て昇降圧し、第１及び第２の交流出力端子６、７間に出
力する構成において、後述する出力電圧指令値発生回路
９０が交流電圧信号Ｖｉｎを取得してその直流量を求
め、この直流量Ｆｉに所定値をかけて、交流電圧信号Ｖ
ｉｎの歪みのない理想的なピーク値Ｖｉｎｐ（歪みのな
い元の波形のピーク値Ｖｉｎｐ）を求める。

【００１３】そして、このピーク値ＶｉｎＰを所定の範
囲の大きさに変換し、この変換値を出力電圧指令値Ｖｄ
として、制御部に設定するようにして無駄にスイッチン
グ動作をさせないようにしたものである。

【００１４】また、前述の交流電圧信号Ｖｉｎの取得と
いうのは、この交流電圧信号Ｖｉｎに比例した電圧であ
るが本実施の形態では、説明を都合上、同じ信号又は同
じ電圧として説明する。

【００１５】前述の商用交流電源１００の交流電圧信号
Ｖｉｎの直流量を求める方法は様々ある。

【００１６】例えば、 （１）実効値演算のオペアンプを使用する。

【００１７】（２）マイコンで交流電圧信号Ｖｉｎを取
り込んで、この瞬時値の２乗を１周期間で平均した値の
平方根を求める。（正弦波では最大値の１／√２） （３）交流電圧信号Ｖｉｎを整流して、その後に時定数
の大きなフィルタを掛け、交流電圧信号Ｖｉｎの平均値
を求める。

【００１８】なお、歪みのない元の波形のピーク値Ｖｉ
ｎｐを求めるには、１．５７０７倍する。

【００１９】等があるが本実施の形態では（２）の方式
を使用して説明する。

【００２０】次に、各構成要素の詳細を述べる。

【００２１】変換回路１は、第１、第２、第３、第４、
第５及び第６のスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ
５、Ｑ６と、変換用コンデンサＣと、入力段の第１のリ
アクトルＬ１，出力段の第２のリアクトルＬ２と、入力
段フィルタ用コンデンサＣ１と、出力段フィルタ用コン
デンサＣ２とから成る。

【００２２】第１〜第６のスイッチＱ１〜Ｑ６はソース
をバルク（サブストレート）に接続した構造の絶縁ゲー
ト型（ＭＯＳ型）電界効果トランジスタであって、第
１、第２、第３、第４、第５及び第６のＦＥＴスイッチ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６とこれに逆並列に
接続された第１、第２、第３、第４、第５及び第６のダ
イオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６とを有す
る。なお、ダイオードＤ１〜Ｄ６をスイッチＱ１〜Ｑ６
に内蔵させないで個別部品とすることができる。また、
ＦＥＴスイッチＳ１〜Ｓ６をバイポーラトランジスタ、
ＩＧＢＴ等の半導体スイッチとすることができる。

【００２３】第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２の直列
接続から成る第１の直列回路と、第３及び第４のスイッ
チＱ３、Ｑ４の直列接続から成る第２の直列回路と、第
５及び第６のスイッチＱ５、Ｑ６の直列接続から成る第
３の直列回路と、変換用コンデンサＣは、互いに並列に
接続されている。

【００２４】第１の直列回路の中点即ち第１及び第２の
スイッチＱ１、Ｑ２の相互接続点８は第１の変換回路の
交流端子であって、入力段の第１のリアクトルＬ１を介
して第１の交流電源端子４に接続されている。第２の直
列回路の中点即ち第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４の
相互接続点９は共通端子としての第２の交流電源端子５
に接続されている。なお、接続点９と第２の交流電源端
子５との間に点線で示すようにリアクトルＬ３を接続す
ることができる。第３の直列回路の中点即ち第５及び第
６のスイッチＱ５、Ｑ６の相互接続点１０は変換回路の
第２の交流端子であって、出力段の第２のリアクトルＬ
２を介して第１の交流出力端子６に接続されている。負
荷１１０は出力手段としての第１及び第２の交流出力端
子６、７間に接続されている。なお、第２の交流電源端
子５と第２の交流出力端子７はグランド端子であって互
いに共通接続されている。

【００２５】第１のフィルタ用コンデンサＣ１は入力電
流の高周波成分を除去するために１及び第２の交流電源
端子４、５間に接続されている。第２のフィルタ用コン
デンサＣ２は出力電圧の高周波成分を除去するために第
１及び第２の交流出力端子６、７間に接続されている。

【００２６】制御回路２によって第１〜第６のスイッチ
Ｑ１〜Ｑ６を制御するために、制御回路２と第１〜第６
のスイッチＱ１〜Ｑ６のゲート（制御端子）との間がラ
イン１２、１３、１４、１５、１６、１７で接続されて
いる。また、制御回路２によってスイッチＱ１〜Ｑ６の
制御信号を形成するために、第１及び第２の交流電源端
子４、５がライン１８、１９によって、また第１の交流
出力端子６がライン２０によって、またコンデンサＣの
両端がライン２１、２２によって、またリアクトルＬ１
に流れる電流を検出する電流検出器２３がライン２４に
よって制御回路２にそれぞれ接続されている。

【００２７】制御回路２は、入力電圧検出回路４１と、
直流電圧検出回路４２、出力電圧検出回路４３、第１の
指令値発生手段４４、第２の指令値発生手段４５、方形
波発生器４６、第１、第２及び第３の演算回路４７，４
８，４９、第１及び第２のリミッタ５０，５１、三角波
発生器５２、第１、第２及び第３のコンパレータ５３，
５４，５５、第１、第２及び第３の逆相信号形成回路５
６，５７，５８を有する。

【００２８】この制御回路２には、本実施の形態に係わ
る出力電圧指令値発生回路９０が接続されている。

【００２９】出力電圧指令値発生回路９０は、実効値演
算部９１と、ピーク算出部９２と、リミッタ９３と、同
期回路１０４と、正弦波発振器１０３と、乗算器９４と
から成る。

【００３０】実効値演算部９１は、商用電源１００であ
る交流電圧信号Ｖｉｎを入力し、この交流電圧信号Ｖｉ
ｎを一定時間毎にサンプリングして交流電圧信号Ｖｉｎ
の波形の瞬時値Ｓｉ（Ｓ１、Ｓ２、……）を抽出する。

【００３１】そして、この瞬時値Ｓｉの最大の瞬時値を
用いて商用の交流電圧信号Ｖｉｎの実効値Ｇｉを求め
る。

【００３２】すなわち、実効値演算部９１は、商用電源
１００の交流電圧信号Ｖｉｎに重畳しているノイズ成分
を取り除くことになる。つまり、落雷等で交流電圧信号
Ｖｉｎに非常に大きなノイズが乗っても、これを検出し
ないことになる。

【００３３】ピーク算出部９２は、実効値演算部９１で
得られた交流電圧信号Ｖｉｎの実効値Ｇｉを√２倍
（１．４１）して歪みのない元の波形のピーク値Ｖｉｎ
ｐを求める。

【００３４】この√２というのは、歪みのない理想的な
交流電圧信号Ｖｉｎの波高率δである。

【００３５】リミッタ９３は、ピーク算出部９２で求め
られた「歪みのない元の波形のピーク値Ｖｉｎｐ（直流
レベル）」が所定の範囲内であるときには、このピーク
値Ｖｉｎｐをリミッタ出力Ｒｖｐとしてそのまま乗算器
９４に送出する。

【００３６】また、所定の範囲の上限値より、ピーク値
Ｖｉｎｐが大きいとき（高い）には当該上限値でリミッ
タしたＶｉｎｐをリミッタ出力Ｒｖｐとして乗算器９４
に送出する。

【００３７】さらに、ピーク値Ｖｉｎｐが所定の範囲の
下限値より小さいときには当該下限値でリミットしたＶ
ｉｎｐをリミッタ出力Ｒｖｐとして乗算器９４へ出力す
る。

【００３８】例えば、リミッタ９３の上下限値を（１０
０±１０）・√２Ｖと設定した場合には、リミッタ入力
が１１０・√２Ｖより大きければ１００・√２ＶをＲｖ
ｐとして出力する。

【００３９】また、リミッタ入力が９０・√２Ｖより小
さければ９０・√２ＶをＲｖｐとして出力する。

【００４０】さらに、９０・√２Ｖから１１０・√２Ｖ
までの間であれば当該入力値をそのまま出力する。

【００４１】乗算器９４は、リミッタ９３からの出力信
号Ｒｖｐと、同期回路１０４により電源電圧Ｖinと同期
調整された正弦波発振器１０３の出力とを乗算し、これ
を出力電圧指令値Ｖｄとして制御部２に出力する。

【００４２】次に制御部２の構成を述べる。

【００４３】制御部２の入力電圧検出回路４１は、商用
電源１００の交流電圧信号Ｖｉｎの波形に比例した電圧
（以下単に商用電源の検出電圧という）を検出する。こ
の検出回路は、商用電源１００の交流電圧信号Ｖｉｎの
実際の値より低い電圧を出力するが理解を容易にするた
めに、ここでは実際の電圧と同一の値が出力されるもの
とする。

【００４４】制御部２の直流電圧検出回路４２は、ライ
ン２１，２２によってコンデンサＣの両端に接続され、
コンデンサＣの電圧Ｖｃを示す検出信号を出力する。出
力電圧検出回路４３はライン２０，１９によって第１及
び第２の交流出力端子６，７に接続され、出力電圧Ｖｏ
を示す検出信号を出力する。

【００４５】各検出回路４２，４３は、コンデンサ電圧
Ｖｃ、出力電圧Ｖｏの実際の値よりも低い電圧を出力す
るが、理解を容易にするためにここでは実際の電圧と同
一の値が出力されるものとする。

【００４６】第１の指令値発生手段４４は、入力段又は
コンバータ電圧指令値発生手段と呼ぶことができるもの
であり、直流基準電圧源５９と、２つの減算器６０，６
３と、２つの比例積分（ＰＩ）回路６１，６４と、乗算
器６２とから成る。

【００４７】減算器６０は基準電圧源５９に基準電圧と
直流電圧検出回路４２の検出出力の差を示す誤差信号を
出力する。この誤差信号は比例積分回路６１を介して乗
算器６２に入力し、入力電圧検出回路４１から得られた
基準正弦波（例えば実効値１００Ｖの正弦波）に乗算さ
れる。

【００４８】乗算器６２の出力はコンデンサＣの電圧Ｖ
ｃを一定に保つための入力電流指令値である。減算器６
３は乗算器６２の出力（入力電流指令値）と電流検出器
２３に接続されたライン２４の検出値（検出電流値）と
の差を示す信号を出力する。

【００４９】減算器６３の出力は、比例積分回路６４を
介して出力される。比例積分回路６４の出力は第１の指
令値Ｖｒｃとなる。第１の指令値Ｖｒｃは、第１及び第
２のスイッチＱ１，Ｑ２の相互接続点８と第３及び第４
のスイッチＱ３，Ｑ４の相互接続点９との間の基本波の
電圧Ｖｃｏｎｖを所望値にするための指令値である。

【００５０】なお、この第１の指令値Ｖｒｃは交流電圧
信号Ｖｉｎに同期した正弦波であり、コンデンサＣの電
圧を所定値に制御するための情報と入力の力率を改善す
るための情報とを含む。

【００５１】第２の指令値発生手段４５は、出力段又は
インバータ電圧指令値発生手段とも呼ぶことができるも
のであって、減算器６７と、比例積分微分（ＰＩＤ）回
路６８とから成る。減算器６７は基準電圧指令値発生器
９０の出力と出力電圧検出回路４３の出力との差を示す
信号を出力する。

【００５２】この減算器６７の出力は比例積分微分（Ｐ
ＩＤ）回路６８を介して出力され、第２の指令値Ｖｒｉ
となる。第２の指令値Ｖｒｉは第３及び第４のスイッチ
Ｑ３，Ｑ４の相互接続点９と第５及び第６のスイッチＱ
５，Ｑ６の相互接続点１０との間の基本波の電圧Ｖｉｎ
ｖを所望値にするための指令値である。なお、Ｖｒｉは
交流電圧信号Ｖｉｎに同期した正弦波である。

【００５３】方形波発生器４６は、増幅器６９とリミッ
タ７０とから成る。増幅器６９は入力電圧検出回路４１
から得られる商用電源である交流電圧信号Ｖｉｎの周波
数（以下、ここでは５０Ｈｚとする）の基準正弦波Ｖｆ
を、ピークが２００Ｖよりも十分に高い電圧に増幅する
ものである。リミッタ７０は、三角波発生器５２の出力
三角波の最大値Ｖｔに等しい＋Ｖｓ（＋２００Ｖ）と最
小値に等しい−Ｖｓ（−２００Ｖ）との間に増幅器出力
を制限し、＋Ｖｓの高レベルと−Ｖｓの低レベルとを交
互に有する方形波電圧Ｖｓを発生する。

【００５４】第１の演算回路４７は、コンバータ電圧指
令値発生手段４４、インバータ段電圧指令値発生手段４
５、及び方形波発生器４６に接続されており、Ｖｒｃ＋
Ｖｓ−Ｖｒｉの演算を実行する。即ち、第１の演算回路
４７は加算器と減算器とを含み、コンバータ電圧指令値
Ｖｒｃに方形波電圧Ｖｓを加算した値からインバータ電
圧指令値Ｖｒｉを減算する。なお、加算と減算の順序を
逆にしてＶｒｃ−Ｖｒｉ＋Ｖｓとすることもできる。こ
の第１の演算回路４７は、インバータ電圧指令値Ｖｒｉ
の変化に対応して第１及び第２のスイッチＱ１，Ｑ２の
高周波オン・オフ動作又は低周波オン・オフ動作を自動
的に選択する機能を有する。

【００５５】第２の演算回路４８はコンバータ電圧指令
値発生手段４４とインバータ電圧指令値発生手段４５と
方形波発生器４６とに接続されており、Ｖｒｉ＋Ｖｓ−
Ｖｒｃの演算を実行する。即ち、第２の演算回路４８は
加算器と減算器とを含み、インバータ電圧指令値Ｖｒｉ
に方形波電圧Ｖｓを加算した値からコンバータ電圧指令
値Ｖｒｃを減算する。なお、加算と減算の順序を逆にし
てＶｒｉ−Ｖｒｃ＋Ｖｓとすることもできる。この第２
の演算回路４８はインバータ電圧指令値Ｖｒｉの変化に
対応して第５及び第６のスイッチＱ５，Ｑ６の高周波オ
ン・オフ動作又は低周波オン・オフ動作を自動的に選択
する機能を有する。

【００５６】第１のリミッタ５０は第１の演算回路４７
の出力を方形波電圧Ｖｓの高レベル＋Ｖｓと低レベル−
Ｖｓの範囲に制限して第１のスイッチ制御指令値Ｖｒ１
を出力する。なお、Ｖｒ１は入力段スイッチＱ１，Ｑ２
の発生電圧指令値と呼ぶこともできる。

【００５７】第２のリミッタ５１は第２の演算回路４８
の出力を方形波電圧Ｖｓの高レベル＋Ｖｓと低レベル−
Ｖｓの範囲に制限して第２のスイッチ制御指令値Ｖｒ３
を出力する。なお、Ｖｒ３を出力段スイッチＱ５，Ｑ６
の発生電圧指令値と呼ぶこともできる。

【００５８】第３の演算回路４９はインバータ電圧指令
値発生手段４５と第２のリミッタ５１とに接続され、Ｖ
ｒ３−Ｖｒｉの演算を実行する。

【００５９】三角波発生器５２は電源３の交流電圧信号
Ｖｉｎの周波数（５０Ｈｚ）よりも十分に高い周波数
（例えば２０ｋＨｚ）の三角波電圧Ｖt即ち鋸波電圧を
発生する。図１では１つの三角波発生器５２が第１、第
２及び第３のコンパレータ５３，５４，５５に接続され
ているが、第１、第２及び第３のコンパレータ５３，５
４，５５のための専用の三角波発生器を設けることもで
きる。また、１つの三角波発生器５２から３種類の三角
波を発生させることもできる。

【００６０】第１のコンパレータ５３は第１のリミッタ
５０と三角波発生器５２とに接続され、指令値Ｖｒ１と
三角波電圧Ｖｔとを比較してライン１２に第１のスイッ
チＱ１のオン・オフ制御信号を２値形式で出力する。

【００６１】第２のコンパレータ５４は第３の演算回路
４９と三角波発生器５２とに接続され、指令値Ｖｒ２と
三角波電圧Ｖｔとを比較してライン１４に第３のスイッ
チＱ３のオン・オフ制御信号を２値形式で出力する。

【００６２】第３のコンパレータ５５は第２のリミッタ
５１と三角波発生器５２とに接続され、指令値Ｖｒ３と
三角波電圧Ｖｔとを比較してライン１６に第５のスイッ
チＱ５のオン・オフ制御信号を２値形式で出力する。

【００６３】第１の逆相信号形成回路５６はＮＯＴ回路
から成り、第１のコンパレータ５３に接続され、第１の
スイッチＱ１のオン・オフ制御信号の逆相信号から成る
第２のスイッチＱ２のオン・オフ制御信号をライン１３
に出力する。

【００６４】第２の逆相信号形成回路５７はＮＯＴ回路
から成り、第２のコンパレータ５４に接続され、第３の
スイッチＱ３のオン・オフ制御信号の逆相信号から成る
第４のスイッチＱ４のオン・オフ制御信号をライン１５
に出力する。

【００６５】第３の逆相信号形成回路５８はＮＯＴ回路
から成り、第３のコンパレータ５５に接続され、第５の
スイッチＱ５のオン・オフ制御信号の逆相信号から成る
第６のスイッチＱ６のオン・オフ制御信号を出力する。

【００６６】なお、第１、第２及び第３のコンパレータ
５３，５４，５５に第１、第２及び第３の逆相信号形成
回路５６，５７，５８をそれぞれ内蔵させることができ
る。また、第１、第２及び第３の逆相信号形成回路５
６，５７，５８をＮＯＴ回路で形成せずに３つの逆相信
号用コンパレータで構成し、３つの逆相信号用コンパレ
ータを正相信号用コンパレータ５３，５４，５５と同様
に接続し、入力の極性のみを正弦波信号用コンパレータ
５３，５４，５５と逆にすることもできる。

【００６７】次に、本発明の実施の形態の作用を説明す
る。特願平１１−０６３９９４に詳述されているよう
に、昇降圧電力変換回路１は、３種類のモードで動作す
る。第１のモードは電源１００の交流電圧信号Ｖｉｎ
（例えば１００Ｖ）とほぼ同一の出力電圧Ｖｏを第１及
び第２の交流出力端子６、７間に得る非変換モード、第
２のモードは交流電圧信号Ｖｉｎよりも低い出力電圧Ｖ
ｏを得る降圧モード、第３のモードは交流電圧信号Ｖｉ
ｎよりも高い出力電圧Ｖｏを得る昇圧モードである。ま
た、制御回路２は、４７，４８，５０，５１からの交流
電圧信号Ｖｉｎと出力電圧指令値Ｖｄとの比較により、
上記モードの切替を自動的に行う。厳密に言えば、Ｖｒ
ｃの大きさがＶｒ１よりも大きいときには降圧モード
に、等しいときには非変換モードに、小さいときには昇
圧モードに切り替えるものである。

【００６８】次に、本実施の形態に係わる出力電圧指令
値発生回路９０について説明する。

【００６９】（１）リミッタ９３の通過範囲を（１００
±１０）・√２Ｖと設定した場合について説明する。

【００７０】図２は、出力電圧指令値発生回路９０の出
力特性を示し、図３はリミッタの動作を説明する説明図
であり、図４は、昇降圧電力変換回路１の動作例を示
す。以下に図３に従って動作を説明する。

【００７１】（ａ）例えば、実効値演算部９１、ピーク
算出部９２で得られた元の波形のピーク値Ｖｉｎｐ（直
流レベル）が１００Ｖ・√２Ｖの場合、リミッタ９３
は、入力値が９０・√２Ｖ〜１１０Ｖ・√２Ｖを通過さ
せる所定の範囲としているので、その入力値１００Ｖ・
√２Ｖをそのまま出力する。

【００７２】乗算器９４は、リミッタ９３からの出力信
号Ｒｖｐ（１００Ｖ・√２Ｖ）と、入力した商用の交流
電源信号ｖｉｎと位相が同期した正弦波発振器１０３の
正弦波信号の出力（この信号のピーク値）との積を制御
回路２の第２の指令値発生手段４５の減算器６７に送出
する。

【００７３】制御回路２は、交流電圧信号Ｖｉｎ（実効
値で１００Ｖ）と出力電圧指令値Ｖｄ（＝１００Ｖに相
当）とが等しいため、変換回路１を非変換モードとし、
昇降圧電力変換回路１は、入力された交流電圧信号Ｖｉ
ｎ＝１００Ｖをそのまま出力（非変換モードという）す
る。

【００７４】すなわち、交流電圧信号Ｖｉｎと同一の出
力電圧Ｖｏを得る非変換モードの場合は、制御回路２の
第１のコンパレータ５３、第２のコンパレータ５４、第
３のコンパレータ５５、第１の逆相信号形成回路５６、
第２の逆相信号形成回路５７、第３の逆相信号形成回路
５８からは、第１〜第６のスイッチＱ１〜Ｑ６に図４
（Ｂ）〜（Ｇ）の制御信号が供給される。

【００７５】つまり、第１及び第５のスイッチＱ１、Ｑ
５は電源３の電圧の基本波と同一の周波数の５０Ｈｚ方
形波パルスによって１８０度間隔で断続的にオンにな
り、第２及び第６のスイッチＱ２、Ｑ６はＱ１、Ｑ５と
反対に動作する。

【００７６】また、第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４
は図４（Ａ）の交流電圧信号Ｖｉｎの周波数よりも十分
に高い周波数（例えば２０ｋＨｚ）でオン・オフ制御さ
れる。なお、非変換モード時には第３及び第４のスイッ
チＱ３、Ｑ４をオフに保つこともできるが、本実施例で
は力率改善のために他のモードと同様にオン・オフして
いる。図４に示すように各スイッチＱ１〜Ｑ６を制御す
ると、入力交流電圧信号Ｖｉｎが正の半波の期間（ｔ０
〜ｔ１）では、交流電源３、第１のリアクトルＬ１、第
１のスイッチＱ１、第５のスイッチＱ５、第２のリアク
トルＬ２、及び負荷１１０の閉回路で正方向電流が流れ
る。

【００７７】また、入力した交流電圧信号Ｖｉｎが負の
半波の期間（ｔ１〜ｔ２）では、交流電源３、負荷１１
０、第２のリアクトルＬ２、第６のスイッチＱ６、第２
のスイッチＱ２、及び第１のリアクトルＬ１の閉回路で
負方向電流が流れる。

【００７８】この非変換モードには入力した交流電圧信
号Ｖｉｎが僅かな電圧降下を伴って出力電圧Ｖｏとな
る。この場合、第１、第２、第５及び第６のスイッチＱ
１、Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６は高周波（例えば２０ｋＨｚ）で
オン・オフされないので、単位時間当りのスイッチング
回数が少なくなり、スイッチング損失による効率低下が
少なくなる。なお、本実施例においては、交流電圧信号
Ｖｉｎが１００Ｖ−１０％〜＋１０％程度の範囲で非変
換モードとなり、この範囲で平１１−０６３９９４に対
し効率が改善される。

【００７９】（ｂ）実効値演算部９１、ピーク算出部９
２で得られたピーク値Ｖｉｎｐが１２０Ｖ・√２Ｖの場
合 リミッタ９３は、その入力値が１１０・√２Ｖ以上の場
合、その出力を１１０・√２Ｖにするものであるから、
その入力値１２０・√２Ｖから±１０・√２Ｖを減少さ
せる。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、１１０Ｖ
・√２Ｖを出力する。

【００８０】乗算器９４は、リミッタ９３からのリミッ
タがかけられた出力信号Ｒｖｐ（１１０Ｖ・√２Ｖ）
と、商用の交流電圧信号Ｖｉｎと同期がとられた正弦波
発振器１０３の正弦波（この波の最大値）との積を制御
回路２の第２の指令値発生手段４５の減算器６７に送出
する。

【００８１】制御回路２は、交流電圧信号Ｖｉｎ（例え
ば、この信号の実効値が１２０Ｖ）が出力電圧指令値Ｖ
ｄよりも大きいため、昇降圧電力変換回路１を降圧モー
ドに切り替え、昇降圧電力変換回路１は、交流電圧信号
Ｖｉｎ＝１２０ＶをＶｄ＝１１０Ｖに降圧して出力する
（降圧モードという）。

【００８２】すなわち、入力した交流電圧信号Ｖｉｎよ
りも低い出力電圧Ｖｏを得る降圧モードの場合には、第
１〜第６の主スイッチＱ１〜Ｑ６に図５（Ｂ）〜（Ｇ）
に示す制御信号が供給される。

【００８３】つまり、この降圧モードでは、平１１−０
６３９９４と効率は同じになる。

【００８４】（ｃ） 実効値演算部９１、ピーク算出部
９２で得られたピーク値Ｖｉｎｐが８０Ｖ・√２の場合 リミッタ９３は、その入力値が９０・√２Ｖ以下の場
合、その出力を９０Ｖ・√２Ｖにするものであるから、
その入力値９０・√２Ｖから±１０・√２Ｖを増加させ
る。すなわち、図２の（ｃ）に示すように、９０・√２
Ｖを出力する。

【００８５】乗算器９４は、リミッタ９３からのリミッ
タがかけられた波形（９０Ｖ・√２Ｖ）と正弦波発振器
１０３の出力との積を制御回路２の第２の指令値発生手
段４５の減算器６７に送出する。

【００８６】制御回路２は、交流電圧信号Ｖｉｎ＝８０
Ｖが出力電圧指令値Ｖｄよりも小さいため、昇降圧電力
変換回路１を昇圧モードに切り替える。昇降圧電力変換
回路１は、Ｖｉｎ＝８０ＶをＶｄ＝９０Ｖに昇圧して出
力する。

【００８７】すなわち、入力交流電圧信号Ｖｉｎよりも
高い出力電圧Ｖｏを得る昇圧モードの場合には、図６
（Ｂ）〜（Ｇ）に示す制御信号で第１〜第６のスイッチ
Ｑ１〜Ｑ６がオン・オフ制御される。

【００８８】つまり、この昇圧モードでは、平１１−０
６３９９４と効率は同じになる。

【００８９】図７は、昇降圧電力変換回路１の電力変換
効率を示す。上述したように、交流電圧信号Ｖｉｎが９
０Ｖ〜１１０Ｖで入力したときには、昇降圧電力変換回
路１は非変換モードで動作するため、当該範囲内では昇
降圧電力変換回路１の最大の電力変換効率を示す。ま
た、交流電圧信号Ｖｉｎが９０Ｖ以下又は１１０Ｖ以上
で入力したときには、昇降圧電力変換回路１は昇圧また
は降圧モードで動作するため、指令出力電圧Ｖｄの上限
値１１０Ｖ又は下限値９０Ｖと交流電圧信号Ｖｉｎとの
差が大きくなるにつれ、電力変換効率は低下する。

【００９０】交流電圧信号Ｖｉｎと固定の出力電圧指令
値Ｖｄとが等しいときにのみ非変換モードとしていた従
来と比較して、電力交換効率のよい非変換モードで動作
する交流電圧信号Ｖｉｎの範囲が拡大するため、全体の
電力変換効率が向上する。

【００９１】このように、上述した実施の形態によれ
ば、交流電圧信号Ｖｉｎのピーク値Ｖｉｎｐが、リミッ
タ９３の制限する範囲内にあるときには、当該ピーク値
をそのまま送出して、この出力信号Ｒｖｐと、商用の交
流電圧信号Ｖｉｎに同期した正弦波信号（振幅１）との
積を指令出力電圧値Ｖｄに設定する。

【００９２】つまり、当該設定範囲内の交流電圧信号Ｖ
ｉｎが入力されたときには、交流電圧信号Ｖｉｎと指令
出力電圧値Ｖｄとが等しくなり、当該交流電圧信号Ｖｉ
ｎを非変換のまま出力するため、スイッチング動作の頻
度が減少して電力損失が減少し、電力交換効率が向上す
る。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、商
用の交流電圧信号の直流量を求め、この直流レベルに、
歪みのない理想的な商用の交流電圧信号の波形係数をか
けて元の商用の交流電圧信号のピーク値を求め、このピ
ーク値に対して所定範囲のリミッタ制御を行い、これを
出力を一定に維持する制御部への指令出力電圧信号とし
たことにより、負荷に対して問題の無い範囲内で出力電
圧を変化させることができる。

【００９４】つまり、無駄に出力電圧を一定にしないの
で、スイッチング動作の頻度が減少して電力損失が減少
し、電力交換効率が向上するという効果が得られてい
る。

【００９５】また、リミッタの出力信号と、商用交流電
源の電圧波形と同期する正弦波発振器の出力信号との積
を指令出力電圧値とすることで、スイッチング素子を無
駄にオンオフさせない所定レベルの指令出力電圧値を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である電力変換装置
を示す回路図である。

【図２】上記実施の形態における出力電圧指令値発生回
路の特性例を示す図である。

【図３】上記実施の形態におけるリミッタの出力例を示
す図である。

【図４】本実施の形態の出力電圧指令値発生回路を用い
たときの非変換モードでの電力変換回路の動作を説明す
る波形図である。

【図５】本実施の形態の出力電圧指令値発生回路を用い
たときの降圧モードでの電力変換回路の動作を説明する
波形図である。

【図６】本実施の形態の出力電圧指令値発生回路を用い
たときの昇圧モードでの電力変換回路の動作を説明する
波形図である。

【図７】上記実施の形態における昇降圧電力変換回路の
電力変換効率特性を示す図である。

【図８】従来の電力変換装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 昇降圧電力変換回路 ２ 制御回路 ４４ コンバータ電圧指令値発生手段 ４５ インバータ電圧指令値発生手段 ４６ 方形波発生器 ４７、４８、４９、第１、第２及び第３の演算回路 ５０、５１ 第１及び第２のリミッタ ５２ 三角波発生器 ５３、５４、５５ 第１、第２及び第３のコンパレータ ５６、５７、５８ 第１、第２及び第３の逆信号形成回
路 ９０ 出力電圧指令値発生回路 ９１ 実効値演算部 ９２ ピーク値算出部 ９３ リミッタ Ｑ１〜Ｑ６ 第１〜第６のスイッチ Ｃ コンデンサ Ｌ１、Ｌ２ 第１及び第２のリアクトル １００ 電源 １０１ 昇降圧電力変換器 １０２ 出力電圧指令値 １０３ 正弦波発振器 １０４ 同期回路 １０５ 直流電源

フロントページの続き (72)発明者 中島 康博 埼玉県新座市北野３丁目６番３号 サンケ ン電気株式会社内 (72)発明者 菅野 雄一郎 埼玉県新座市北野３丁目６番３号 サンケ ン電気株式会社内 (72)発明者 石隈 悟 埼玉県新座市北野３丁目６番３号 サンケ ン電気株式会社内 (72)発明者 河内 祥一 埼玉県新座市北野３丁目６番３号 サンケ ン電気株式会社内 Ｆターム(参考） 5H730 AA14 BB11 CC01 DD04 FD01 FD11 FD41 FF02 FG05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用交流電源を入力し、該商用交流電源
   の電圧波形に同期した所定の指令出力電圧値との差に基
   づいて、スイッチング動作で前記交流電源電圧を昇降圧
   して負荷に一定出力電圧を得る電力変換装置において、 前記商用交流電源の電圧波形の直流量を求め、この直流
   量の電圧と、歪みのない前記商用の交流電源の電圧波形
   の係数とから元の前記商用の交流電源の電圧波形のピー
   ク値を求める手段と、 前記ピーク値が所定の範囲内であるときには該ピーク値
   を、前記所定の範囲の上限値より大きいときには、該上
   限値を、前記所定の範囲の下限値より小さいときには該
   下限値を出力するリミッタ手段と、 前記リミッタの出力信号と、前記商用交流電源の電圧波
   形と同期する発振器の出力信号とから、前記指令出力電
   圧値を生成する指令出力電圧生成手段と、 を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 前記指令出力電圧生成手段は、前記リミ
   ッタ手段の出力信号と、前記商用交流電源の電圧波形に
   同期する正弦波発振器の出力信号との積を、前記指令出
   力電圧値とすることを特徴とする電力変換装置。