JP5263457B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

実施形態に係る電力変換装置は、スイッチング部と、制御部と、第２双方向スイッチとを備える。スイッチング部は、直流電源または直流負荷と交流負荷または交流電源との間に配置される複数の第１双方向スイッチを有する。制御部は、スイッチング部を制御して、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う。制御部は、直流電源または直流負荷の一方の極とスイッチング部との間の経路上に配置される第２双方向スイッチをオフにする際に、直流電源または直流負荷の他方の極と交流負荷との間に接続される第１双方向スイッチをオンにする。

Description

開示の実施形態は、電力変換装置に関する。
従来、直流から交流への電力変換を行う複数のスイッチを備えた電力変換装置が知られている。かかる電力変換装置は、直流電源から供給される直流電圧を複数のスイッチのオン／オフ制御によって交流電圧へ変換して出力する。
例えば、特許文献１には、複数のスイッチからなる単相ブリッジ回路において、上側および下側のスイッチの一方を交流電圧の周波数で制御し、他方を交流電圧の周波数よりも高い周波数で制御する電力変換装置が記載されている。
かかる電力変換装置では、直流電源の正極と単相ブリッジ回路との間を接続するスイッチが設けられており、かかるスイッチを環流モードの際にオフにすることで、直流電源側へ高周波の電位変動が加わることを防止している。
特開２００６−１４５９１号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の電力変換装置では、直流側と交流側とが電気的に切り離される状態が発生することから、直流電源のコモンモード電圧が不定になるという課題がある。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、直流電源のコモンモード電圧が不定になることを抑制することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る電力変換装置は、スイッチング部と、制御部と、第２双方向スイッチとを備える。前記スイッチング部は、直流電源または直流負荷と交流負荷または交流電源との間に配置される複数の第１双方向スイッチを有する。前記制御部は、前記スイッチング部を制御して、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う。第２双方向スイッチは、前記直流電源または前記直流負荷の一方の極と前記スイッチング部との間の経路上に配置され、前記一方の極と前記スイッチング部との間の接続および遮断を行う。前記制御部は、前記第２双方向スイッチをオフにする際に、前記直流電源または前記直流負荷の他方の極と前記交流負荷との間に接続される前記第１双方向スイッチをオンにする。
実施形態の一態様によれば、直流電源のコモンモード電圧が不定になることを抑制することができる電力変換装置を提供することができる。
図１は、実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図２は、双方向スイッチの構成を示す図である。 図３は、単相交流電圧の１周期内での制御部の制御動作を説明するための図である。 図４は、単相交流電圧の１周期内での制御部の制御動作を説明するための図である。 図５Ａは、正の降圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図５Ｂは、正の降圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図６Ａは、正の昇圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図６Ｂは、正の昇圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図７Ａは、負の降圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図７Ｂは、負の降圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図８Ａは、負の昇圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。 図８Ｂは、負の昇圧モードでの双方向スイッチの状態を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図、図２は、双方向スイッチの構成を示す図である。図１に示すように、実施形態に係る電力変換装置１は、直流側に直流電源２ａまたは直流負荷２ｂ、交流側に交流負荷３ａまたは交流電源３ｂが接続される。なお、電力変換装置１内に直流電源２ａを含むこともできる。
電力変換装置１は、直流電力と交流電力との間での双方向の電力変換、すなわち、直流電源２ａ／直流負荷２ｂと交流負荷３ａ／交流電源３ｂとの間の電力変換を可逆的に行う。直流電源２ａから交流負荷３ａへ電力変換する場合には、直流電源２ａから供給される直流電圧Ｖｂを単相交流電圧Ｖａｃへ変換して、交流負荷３ａへ出力する。交流電源３ｂから直流負荷２ｂへ電力変換する場合には、交流電源３ｂから供給される単相交流電圧Ｖａｃを直流電圧Ｖｂへ変換して、直流負荷２ｂへ出力する。
電力変換装置１の直流側に接続されるものが、直流電源２ａの場合は、例えば、太陽電池、燃料電池、蓄電池などがあり、直流負荷２ｂの場合は、例えば電気機器や蓄電池などがある。また、電力変換装置１の交流側に接続されるものが、交流負荷３ａの場合は、例えば電気機器や単相交流電源などがあり、交流電源３ｂの場合は、商用単相交流電源がある。単相交流電圧Ｖａｃは、例えば、代表的なものは１００Ｖまたは２００Ｖであり、その周波数は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。
電力変換装置１は、電力変換部１０と、制御部２０と、ＬＣフィルタ３１と、ＬＣＬフィルタ３２と、直流電圧検出部３３と、交流電圧検出部３４と、直流電流検出部３５とを備える。
電力変換部１０は、ＬＣフィルタ３１を介して直流電源２ａまたは直流負荷２ｂと接続され、ＬＣＬフィルタ３２を介して交流負荷３ａまたは交流電源３ｂに接続される。かかる電力変換部１０は、スイッチング部１１と、双方向スイッチＳＷ７と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１とを備える。
スイッチング部１１は、６つの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６（第１双方向スイッチの一例に相当）を備える。各双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、例えば、図２に示すように、逆阻止型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成される片方向スイッチ５１、５２を備えており、これら片方向スイッチ５１、５２は互いに逆方向に並列接続される。
また、スイッチング部１１は、図１に示すように、直流側ノードＮＵ、ＮＶ、ＮＷおよび交流側ノードＮＲ、ＮＳを有しており、直流側ノードＮＵ、ＮＶ、ＮＷは直流電源２ａ側または直流負荷２ｂ側に設けられ、交流側ノードＮＲ、ＮＳは交流負荷３ａ側または交流電源３ｂ側に設けられる。そして、かかる直流側ノードＮＵ、ＮＶ、ＮＷと交流側ノードＮＲ、ＮＳとの間に双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６が配置される。
具体的には、双方向スイッチＳＷ１は、直流側ノードＮＶと交流側ノードＮＲとの間に接続され、双方向スイッチＳＷ２は、直流側ノードＮＶと交流側ノードＮＳとの間に接続される。また、双方向スイッチＳＷ３は、直流側ノードＮＷと交流側ノードＮＲとの間に接続され、双方向スイッチＳＷ４は、直流側ノードＮＷと交流側ノードＮＳとの間に接続される。また、双方向スイッチＳＷ５は、直流側ノードＮＵと交流側ノードＮＲとの間に接続され、双方向スイッチＳＷ６は、直流側ノードＮＵと交流側ノードＮＳとの間に接続される。
双方向スイッチＳＷ７（第２双方向スイッチの一例に相当）は、直流電源２ａまたは直流負荷２ｂの正極側とスイッチング部１１との間の経路上に配置され、直流電源２ａまたは直流負荷２ｂの正極側とスイッチング部１１との間の接続および遮断を行う。かかる双方向スイッチＳＷ７は、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６と同様の構成であり、例えば、図２に示すように構成される。
リアクトルＬ１は、直流側ノードＮＵと直流側ノードＮＶとの間に接続される。かかるリアクトルＬ１は、後述する降圧モードでは、コンデンサＣ１への電流を抑制する機能を有し、また、後述する昇圧モードでは、昇圧動作を行うための定電流源として機能する。
制御部２０は、図示していない電力変換の方向指示信号や、直流電圧検出部３３や交流電圧検出部３４での検出電圧、直流電流検出部３５での電流検出に応じて、スイッチング部１１および双方向スイッチＳＷ７の制御を行う。以下、直流電源２ａから交流負荷３ａへ電力変換する場合について説明する。なお、交流負荷３ａから直流電源２ａへの電力変換での動作は、直流電流検出部３５での電流検出の符号を逆にすれば、直流電源２ａから交流負荷３ａへ電力変換する場合の説明と同一であるので、その説明は省略する。また、交流電源３ｂと直流負荷２ｂとの間の電力変換も、直流電源２ａと交流負荷３ａとの間の電力変換と同様の動作である。
スイッチング部１１の双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６および双方向スイッチＳＷ７は、それぞれ制御部２０から出力される駆動信号Ｓ１〜Ｓ７によって駆動される。駆動信号Ｓ１〜Ｓ７は、Ｈｉｇｈレベルのときに双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７をオン状態にするオン指令となる。制御部２０による双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の制御については、後で詳述する。
ＬＣフィルタ３１は、リアクトルＬ２とコンデンサＣ２とを有し、直流電源２ａと電力変換部１０との間に接続される。かかるＬＣフィルタ３１によって電力変換部１０から直流電源２ａへの高周波成分が除去される。なお、交流電源３ｂから供給される単相交流電圧Ｖａｃを昇降圧して直流電圧Ｖｂへ変換して直流負荷２ｂへ出力する場合、電力変換部１０と直流負荷２ｂとの間には平滑用のコンデンサが配置される。
ＬＣＬフィルタ３２は、直列に接続されたリアクトルＬ３、Ｌ４と、リアクトルＬ３、Ｌ４の接続点に接続されたコンデンサＣ３とを有し、電力変換部１０と交流負荷３ａとの間に接続される。かかるＬＣＬフィルタ３２によって電力変換部１０から交流負荷３ａへの高周波成分が除去される。
直流電圧検出部３３は、直流電源２ａの負極および正極との間に接続され、直流電源２ａから出力される直流電圧Ｖｂを検出する。かかる検出結果は、直流電圧検出部３３から制御部２０へ通知される。
交流電圧検出部３４は、出力端子ＴＲ、ＴＳ間に接続され、電力変換部１０から交流負荷３ａへ出力される単相交流電圧Ｖａｃを検出する。かかる検出結果は、交流電圧検出部３４から制御部２０へ通知される。
直流電流検出部３５は、リアクトルＬ１に流れる電流を検出する。かかる直流電流検出部３５は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用した電流センサである。
このように構成された電力変換装置１は、直流と交流との電力変換を可逆的に行うことができる。制御部２０は、電力変換部１０を制御して、直流電圧Ｖｂから単相交流電圧Ｖａｃへ電力変換し、また、単相交流電圧Ｖａｃから直流電圧Ｖｂへ電力変換する。
例えば、直流電源２ａが太陽電池であり、交流負荷３ａが単相交流電源である場合、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７を制御して、太陽電池から供給される直流電圧Ｖｂを単相交流電源と同期した単相交流電圧Ｖａｃへ変換して単相交流電源へ出力する。かかる制御では、直流電圧検出部３３で検出された太陽電池の直流電圧Ｖｂと、交流電圧検出部３４で検出された単相交流電源の単相交流電圧Ｖａｃとに基づいて調整されたオン／オフ比率で、電力変換部１０に対するＰＷＭ制御が行われる。
また、例えば、直流電源２ａが二次電池（蓄電池）であり、交流負荷３ａが単相交流電源である場合、単相交流電源から供給される単相交流電圧Ｖａｃを直流電圧Ｖｂへ変換して二次電池に充電電流を流す。かかる制御では、制御部２０において、直流電流検出部３５で検出された電流値が電流指令と比較され、その偏差量に比例積分（ＰＩ）制御を施す等によって生成した制御信号に基づき調整されたオン／オフ比率で電力変換部１０に対するＰＷＭ制御が行われる。
以下、直流電圧Ｖｂから単相交流電圧Ｖａｃへ電力変換する場合の動作の一例について具体的に説明する。単相交流電圧Ｖａｃの振幅が直流電圧Ｖｂよりも大きい場合、単相交流電圧Ｖａｃの１周期内で単相交流電圧Ｖａｃの瞬時値の絶対値が直流電圧Ｖｂよりも大きい場合と、小さい場合が存在する。直流電圧Ｖｂが単相交流電圧Ｖａｃよりも小さい場合には、昇圧する必要があり、直流電圧Ｖｂが単相交流電圧Ｖａｃよりも大きい場合には、降圧する必要がある。
そこで、制御部２０は、直流電圧Ｖｂから単相交流電圧Ｖａｃへ電力変換する場合、単相交流電圧Ｖａｃの１周期内において、正の降圧モード、正の昇圧モード、負の降圧モードおよび負の昇圧モードの４つの制御モードで電力変換部１０を制御している。
図３および図４は、単相交流電圧Ｖａｃの１周期内での制御部２０の制御動作を説明するための図である。図３では、降圧モードでは、ＰＷＭ信号１がオンの区間をＴｏｎ、オフの区間をＴｏｆｆ、昇圧モードでは、ＰＷＭ信号２がオンの区間をＴｏｎ、オフの区間をＴｏｆｆ、としたときの、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７をそれぞれ駆動する駆動信号Ｓ１〜Ｓ７と、各制御モードとの関係が示される。また、図４では、期間Ａ：正の降圧モード、期間Ｂ：正の昇圧モード、期間Ｃ：負の降圧モード、期間Ｄ：負の昇圧モードでの後述する変圧比率ＭＩ１、昇圧スイッチ比率ＭＩ２とＰＷＭ信号１とＰＷＭ信号２の関係、および、各双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態を示している。
ＰＷＭ信号１は、出力電圧指令Ｖａｃ*と直流電源２ａの電圧Ｖｂとの比で表わされる変圧比率ＭＩ１に基づいて決められるＰＷＭ信号である。かかる変圧比率ＭＩ１は、下記式（１）のように表される。
ＭＩ１＝Ｔｏｎ／Ｔｃ＝|Ｖａｃ*|／Ｖｂ・・・（１）
ＰＷＭ信号２は、昇圧スイッチ比率ＭＩ２に基づいて決められるＰＷＭ信号である。かかる昇圧スイッチ比率ＭＩ２は、下記式（２）のように表される。
ＭＩ２＝Ｔｏｎ／Ｔｃ＝１−１／ＭＩ１・・・（２）
なお、ここで、ＰＷＭ制御での一定周期時間をＴｃ、オンしている時間をＴｏｎとしている。
なお、昇圧スイッチ比率ＭＩ２はゼロよりも小さくならないように制限する。この結果、変圧比率ＭＩ１が１以下であった場合、昇圧スイッチ比率ＭＩ２はゼロに固定される。変圧比率ＭＩ１、昇圧スイッチ比率ＭＩ２は定義上は正値であるが、便宜上、出力電圧指令Ｖａｃ*が負の場合には負として図示している。以下、各制御モードについて具体的に説明する。
（正の降圧モード）
まず、正の降圧モードについて説明する。正の降圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ４、ＳＷ５を常にオン状態にし、双方向スイッチＳＷ２、ＳＷ７を断続的にオン状態にする（図３および図４参照）ことで、スイッチング部１１から直流電圧Ｖｂを断続的に出力させる。スイッチング部１１からの出力はＬＣＬフィルタ３２によって高周波成分が除去され交流負荷３ａへ出力される。これにより、直流電圧Ｖｂが降圧されて、単相交流電圧Ｖａｃのうち絶対値が直流電圧Ｖｂ以下の正電圧部分が交流負荷３ａへ出力される。
かかる正の降圧モードでは、双方向スイッチＳＷ２のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号１の反転信号であり、双方向スイッチＳＷ７のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号１と同一である。
出力電圧指令Ｖａｃ*は、制御部２０によって生成される指令であり、単相交流電圧Ｖａｃの実効値Ｖｏ*と単相交流電圧Ｖａｃの周波数ｆｏ*とから下記式（３）で表される。
Ｖａｃ*＝Ｖｏｐ*ｃｏｓωｏ*ｔ＝√２Ｖｏ*ｃｏｓ２πｆｏ*ｔ・・・（３）
なお、Ｖｏｐ*は単相交流電圧のピーク値指令、ωｏ*は角周波数指令である。
ここで、正の降圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態について説明する。図５Ａおよび図５Ｂは、正の降圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態を示す図である。
正の降圧モードでは、双方向スイッチＳＷ２がオフ状態の場合、図５Ａに示すスイッチ状態となる。そのため、直流電源２ａの正極、双方向スイッチＳＷ７、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ５、交流負荷３ａ、双方向スイッチＳＷ４、直流電源２ａの負極の経路で電流が流れる。
また、双方向スイッチＳＷ２がオン状態の場合、図５Ｂに示すスイッチ状態となる。そのため、双方向スイッチＳＷ２の一端、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ５、交流負荷３ａ、双方向スイッチＳＷ２の他端の経路で電流が流れる環流モードとなる。
環流モードにおいて、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ７をオフにして、直流電源２ａの正極側と電力変換部１０との間の経路を遮断する。これにより、直流電源２ａの正極側と交流負荷３ａとの間の経路が遮断され、直流電源２ａの正極側へ高周波の電位変動が加わることを防止することができる。
このように、正の降圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ４、ＳＷ５を常にオン状態とし、双方向スイッチＳＷ２と双方向スイッチＳＷ７を交互にオン状態にすることで、パルス電圧を出力する。正の降圧モードでは、双方向スイッチＳＷ４が常にオン状態であり、直流電源２ａの負極側は交流側ノードＮＳに接続される。そのため、正の降圧モードでは、直流電源２ａのコモンモード電圧が不定になることを防止することができる。
（正の昇圧モード）
次に、正の昇圧モードについて説明する。正の昇圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ４、ＳＷ７を常にオン状態にし、双方向スイッチＳＷ５と双方向スイッチＳＷ６とを交互にオン状態にする（図３および図４参照）ことで、リアクトルＬ１に電気エネルギーを蓄積し、そして放出する。リアクトルＬ１から放出された電気エネルギーはコンデンサＣ１によって平滑されて電力変換部１０から出力される。これにより、直流電圧Ｖｂが昇圧されて、単相交流電圧Ｖａｃのうち絶対値が直流電圧Ｖｂより大きい正電圧部分が交流負荷３ａへ出力される。
かかる正の昇圧モードでは、双方向スイッチＳＷ６のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号２と同一であり、双方向スイッチＳＷ５のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号２の反転信号である。
ここで、正の昇圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態について説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、正の昇圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態を示す図である。
正の昇圧モードでは、双方向スイッチＳＷ６がオン状態で双方向スイッチＳＷ５がオフ状態の場合、図６Ａに示すスイッチ状態となる。そのため、直流電源２ａの正極、双方向スイッチＳＷ７、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ６、双方向スイッチＳＷ４、直流電源２ａの負極の経路で電流が流れる。これにより、リアクトルＬ１に電流エネルギーが蓄積される。
この状態から、双方向スイッチＳＷ６がオフ状態になり、双方向スイッチＳＷ５がオン状態になった場合、図６Ｂに示すスイッチ状態となる。そのため、直流電源２ａの正極、双方向スイッチＳＷ７、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ５、交流負荷３ａ、双方向スイッチＳＷ４、直流電源２ａの負極の経路が形成され、リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーが交流負荷３ａ側へ放出される。
このように、正の昇圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ４、ＳＷ７を常にオン状態とし、双方向スイッチＳＷ５と双方向スイッチＳＷ６を交互にオン状態にすることで、昇圧した正のパルス電圧を出力する。正の昇圧モードでは、正の降圧モードと同様に、双方向スイッチＳＷ４が常にオン状態であり、直流電源２ａの負極側は交流側ノードＮＳに接続される。そのため、正の昇圧モードにおいても、直流電源２ａのコモンモード電圧が不定になることを防止することができる。
（負の降圧モード）
負の降圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ３、ＳＷ６を常にオン状態にし、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ７を断続的にオン状態にする（図３および図４参照）ことで、スイッチング部１１から直流電圧Ｖｂを断続的に出力させる。スイッチング部１１からの出力はＬＣＬフィルタ３２によって高周波成分が除去され交流負荷３ａへ出力される。これにより、直流電圧Ｖｂが降圧されて、単相交流電圧Ｖａｃのうち絶対値が直流電圧Ｖｂ以下の負電圧部分が交流負荷３ａに出力される。
かかる負の降圧モードでは、双方向スイッチＳＷ１のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号１と同一であり、双方向スイッチＳＷ７のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号１の反転信号である。
ここで、負の降圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態について説明する。図７Ａおよび図７Ｂは、負の降圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態を示す図である。
負の降圧モードでは、双方向スイッチＳＷ１がオフ状態の場合、図７Ａに示すスイッチ状態となる。そのため、直流電源２ａの正極、双方向スイッチＳＷ７、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ６、交流負荷３ａ、双方向スイッチＳＷ３、直流電源２ａの負極の経路で電流が流れる。
また、双方向スイッチＳＷ１がオン状態の場合、図７Ｂに示すスイッチ状態となる。そのため、双方向スイッチＳＷ１の一端、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ６、交流負荷３ａ、双方向スイッチＳＷ１の他端の経路で電流が流れる環流モードとなる。
環流モードにおいて、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ７をオフ状態にして、直流電源２ａの正極側と電力変換部１０との間の経路を遮断する。これにより、直流電源２ａの正極側と交流負荷３ａとの間の経路が遮断され、直流電源２ａの正極側へ高周波の電位変動が加わることを防止することができる。
また、負の降圧モードでは、双方向スイッチＳＷ３が常にオン状態であり、直流電源２ａの負極側は交流側ノードＮＲに接続される。そのため、負の降圧モードは、正の降圧モードおよび正の昇圧モードと同様に、直流電源２ａのコモンモード電圧が不定になることを防止することができる。
（負の昇圧モード）
次に、負の昇圧モードについて説明する。負の昇圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ３、ＳＷ７を常にオン状態にし、双方向スイッチＳＷ５と双方向スイッチＳＷ６とを交互にオン状態にする（図３および図４参照）ことで、リアクトルＬ１に電気エネルギーを蓄積し、そして放出する。リアクトルＬ１から放出された電気エネルギーはコンデンサＣ１によって平滑されて電力変換部１０から出力される。これにより、直流電圧Ｖｂが昇圧されて単相交流電圧Ｖａｃのうち絶対値が直流電圧Ｖｂより大きい負電圧部分が交流負荷３ａへ出力される。
かかる負の昇圧モードでは、双方向スイッチＳＷ６のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号２と同一であり、双方向スイッチＳＷ５のＰＷＭ信号は上述のＰＷＭ信号２の反転信号である。
ここで、負の昇圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態について説明する。図８Ａおよび図８Ｂは、負の昇圧モードでの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の状態を示す図である。
負の昇圧モードでは、双方向スイッチＳＷ５がオン状態で双方向スイッチＳＷ６がオフ状態の場合、図８Ａに示すスイッチ状態となる。そのため、直流電源２ａの正極、双方向スイッチＳＷ７、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ５、双方向スイッチＳＷ３、直流電源２ａの負極の経路で電流が流れる。これにより、リアクトルＬ１に電流エネルギーが蓄積される。
この状態から、双方向スイッチＳＷ５がオフ状態になり、双方向スイッチＳＷ６がオン状態になった場合、図８Ｂに示すスイッチ状態となる。そのため、直流電源２ａの正極、双方向スイッチＳＷ７、リアクトルＬ１、双方向スイッチＳＷ６、交流負荷３ａ、双方向スイッチＳＷ３、直流電源２ａの負極の経路が形成され、リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーが交流負荷３ａ側へ放出される。
このように、負の昇圧モードでは、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ３、ＳＷ７を常にオン状態とし、双方向スイッチＳＷ５と双方向スイッチＳＷ６を交互にオン状態にすることで、昇圧した負のパルス電圧を出力する。かかる負の昇圧モードでは、負の降圧モードと同様に、双方向スイッチＳＷ３が常にオン状態であり、直流電源２ａの負極側は交流側ノードＮＲに接続される。そのため、負の昇圧モードにおいても、他の制御モードと同様に、直流電源２ａのコモンモード電圧が不定になることを防止することができる。
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１では、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を有するスイッチング部１１と、直流電源２ａの一方の極とスイッチング部１１との間の経路上に配置される双方向スイッチＳＷ７を備える。
これらの双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ７は、制御部２０によって制御され、これにより、直流電源２ａから供給される直流電圧Ｖｂが交流電圧へ変換されて交流負荷３ａ側へ出力される。制御部２０は、双方向スイッチＳＷ７をオフ状態にすることで、直流電源２ａの正極側に高周波の電位変動が加わることを防止する。
また、制御部２０は、双方向スイッチＳＷ７をオフ状態にする際に、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のうち直流電源２ａの他方の極と交流負荷３ａとの間に接続される双方向スイッチをオン状態にする。例えば、制御部２０は、正の降圧モードおよび正の昇圧モードでは、双方向スイッチＳＷ４をオン状態にし、負の降圧モードおよび負の昇圧モードでは、双方向スイッチＳＷ３をオン状態にする。これにより、直流電源２ａの他方の極と交流負荷３ａとの間が接続され、直流電源２ａのコモンモード電圧が不定になることを防止できる。
また、制御部２０は、単相交流電圧Ｖａｃの正電圧を出力する区間では、直流電源２ａの他方の極と交流負荷３ａとの間に接続された特定の双方向スイッチ（例えば、双方向スイッチＳＷ４）を継続してオン状態にすることで、直流電源２ａの負極側を交流側ノードＮＳに継続して接続する。また、単相交流電圧Ｖａｃの負電圧を出力する区間では、直流電源２ａの他方の極と交流負荷３ａとの間に接続された特定の双方向スイッチ（例えば、双方向スイッチＳＷ３）を継続してオン状態にすることで、直流電源２ａの負極側を交流側ノードＮＲに継続して接続する。そのため、単相交流電圧Ｖａｃの１周期内において、直流電源２ａの他方の極と交流負荷３ａとの間に接続される双方向スイッチの切り替わりは２回となる。これにより、直流電源２ａのコモンモード電圧に高周波成分が重畳することを抑止でき、直流電源２ａのコモンモード電圧を安定させることが可能となる。
なお、直流電源２ａの一方の極とスイッチング部１１との間の経路上に配置されるスイッチを、スイッチング素子と保護ダイオードとの組み合わせとせずに、双方向スイッチＳＷ７としているのは、直流電力の電流方向が正負に切り替わるためである。
例えば、交流負荷３ａ側にコンデンサがある回路構成で電力変換部１０から単相交流電圧Ｖａｃを出力する場合、電力変換部１０から出力される交流電力の力率は１ではない。また、交流負荷３ａを電力系統の単相交流電源とし、電力系統と連系して例えば停電検出のために交流側に無効電流を流す場合にも、電力変換部１０から出力される交流電力の力率は１ではない。
このように、電力変換部１０から出力される交流電力の力率が１でない場合、単相交流での瞬時電力を考えると、電力方向は正負交互に変化することになる。したがって、直流電源２ａから直流電力を入力する場合、電力方向を正負に切り替えようとすると、直流電力の電流方向は正負に切り替わることになる。
また、上述した実施形態では、昇降圧可能な電力変換装置を例に挙げて説明したが、降圧のみを行う電力変換装置でも、上記と同様の制御によって直流電源２ａのコモンモード電圧を安定させることができる。
また、上述したように電力変換装置１の直流側に直流負荷２ｂを、交流側に交流電源３ｂをそれぞれ接続し、交流電源３ｂから供給される交流電圧を直流電圧に変換して直流負荷２ｂへ出力することもできる。そして、このような場合でも、上記と同様の制御によってコモンモード電圧を安定させることができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 電力変換装置
２ａ 直流電源
２ｂ 直流負荷
３ａ 交流負荷
３ｂ 交流電源
１０ 電力変換部
１１ スイッチング部
２０ 制御部
３０ 直流電圧検出部
３１ ＬＣフィルタ
３２ ＬＣＬフィルタ
３３ 直流電圧検出部
３４ 交流電圧検出部
３５ 直流電流検出部
Ｌ１ リアクトル
ＳＷ１〜ＳＷ６ 双方向スイッチ
ＳＷ７ 双方向スイッチ

Claims (6)

  1. 直流電源または直流負荷と交流負荷または交流電源との間に配置される複数の第１双方向スイッチを有するスイッチング部と、
    前記スイッチング部を制御して、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う制御部と、
    前記直流電源または前記直流負荷の一方の極と前記スイッチング部との間の経路上に配置され、前記一方の極と前記スイッチング部との間の接続および遮断を行う第２双方向スイッチと、を備え、
    前記複数の第１双方向スイッチには、前記直流電源または前記直流負荷の他方の極と前記交流負荷または前記交流電源の一端との間に接続される第３双方向スイッチと、前記直流電源または前記直流負荷の他方の極と前記交流負荷または前記交流電源の他端との間に接続される第４双方向スイッチとが含まれ、
    前記制御部は、
    前記第２双方向スイッチがオフである期間では、前記交流負荷または前記交流電源の電圧極性に応じて、前記第３双方向スイッチと前記第４双方向スイッチとのいずれか一方がオン、他方がオフであるように制御する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記第２双方向スイッチは、
    前記直流電源または前記直流負荷の正極側と前記スイッチング部との間に接続される
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記スイッチング部は、
    前記一方の極側に設けられる第１および第２の直流側ノードと、
    前記他方の極側に設けられる第３の直流側ノードと、
    前記交流負荷側または前記交流電源側に設けられる２つの交流側ノードと、を有し、
    前記第１〜第３の直流側ノードのそれぞれと前記交流側ノードとのそれぞれを接続するように前記複数の第１双方向スイッチが配置され、
    前記第１の直流側ノードと前記第２の直流側ノードとの間にリアクトルが設けられた
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記交流側ノード間に接続されたコンデンサを備え、
    前記制御部は、
    前記第１双方向スイッチおよび前記第２双方向スイッチを制御して、前記直流電源から供給される直流電圧を昇降圧して交流電圧を生成する
    ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記第１の直流側ノードと前記第３の直流側ノードと間に接続されたコンデンサを備え、
    前記制御部は、
    前記第１双方向スイッチおよび前記第２双方向スイッチを制御して、前記交流電源から供給される交流電圧を昇降圧して直流電圧を生成する
    ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、
    前記スイッチング部を制御して、前記直流電源または前記直流負荷と、前記交流負荷または前記交流電源との間で双方向に電力変換する
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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