JP5652454B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、電力変換装置に関する。

従来、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御して、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が知られている(特許文献１参照)。

特開２００２−３０５８８３号公報

しかしながら、従来の電力変換装置には、出力電圧の精度を高めるという点と、スイッチング損失低減という点で更なる改善の余地があった。

たとえば、従来技術では、微小電圧を出力させる場合、スイッチング素子のオン期間が短くなるために、デッドタイムなどの影響が相対的に大きくなり出力電圧の精度が劣化するという課題があった。

実施形態の一態様は、出力電圧の精度を高めることの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、電力変換部と、ＰＷＭ制御部とを備える。電力変換部は、直流電源の正極と負荷の一端に接続される第１のスイッチング素子と、直流電源の負極と負荷の他端に接続される第２のスイッチング素子と、直流電源の正極と負荷の他端に接続される第３のスイッチング素子と、直流電源の負極と負荷の一端に接続される第４のスイッチング素子とを有する。ＰＷＭ制御部は、電力変換部をＰＷＭ制御して直流電源から負荷へ電圧出力を行うオン期間と電圧出力を行わないオフ期間とを繰り返す。そして、ＰＷＭ制御部は、搬送波信号の１周期の間、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のうちの一方を指令値と前記搬送波信号との比較に基づいて制御するとともに、他方を常時オン状態または常時オフ状態とし、かつ、前記指令値と前記搬送波信号との比較に基づいて制御するスイッチング素子と常時オン状態または常時オフ状態とするスイッチング素子とを前記搬送波信号の１周期毎に切り替える。

実施形態の一態様によれば、微小電圧を出力する場合であってもスイッチング素子のオン期間が短くならないため、出力電圧の精度を高めることができる。

図１は、第１の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、第１の実施形態に係るＰＷＭ制御部の構成の一例を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。 図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図５は、第２の実施形態に係るＰＷＭ制御部の構成の一例を示す図である。 図６は、第２の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。 図７は、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御部の構成の一例を示す図である。 図８は、第３の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。

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。

（第１の実施形態）
第１の実施形態では、負荷に対して交流電力を出力する電力変換装置の一例を示す。図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る電力変換装置１は、直流電源２から供給される直流電力を交流電力へ変換して負荷３へ出力する。かかる電力変換装置１は、電力変換部１０と、ＰＷＭ制御部２０とを備える。なお、直流電源２は、入力される交流電源を電力変換器で整流して作成されたものであってもよい。

電力変換部１０は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３を直列接続した第１の上下アームと、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４を直列接続した第２の上下アームとを並列に接続した単相ブリッジ回路である。

スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ４は、直流電源２の正極に接続され、スイッチング素子Ｑ３およびスイッチング素子Ｑ２は、直流電源２の負極に接続される。また、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ３との接続点には、負荷３の一方の端子が接続され、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ４との接続点には、負荷３の他方の端子が接続される。

スイッチング素子Ｑ１は、直流電源２の正極と負荷３の一端に接続される第１のスイッチング素子の一例であり、スイッチング素子Ｑ２は、直流電源２の負荷３と負荷の他端に接続される第２のスイッチング素子の一例である。また、スイッチング素子Ｑ３は、直流電源２の負極と負荷３の一端に接続される第３のスイッチング素子の一例であり、スイッチング素子Ｑ４は、直流電源２の正極と負荷３の他端に接続される第４のスイッチング素子の一例である。

これらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、それぞれダイオードが並列に接続される。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４としては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＥＴ（Field effect transistor）を用いることができる。

ＰＷＭ制御部２０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対してそれぞれ制御信号Ｓ１〜Ｓ４を出力することによって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフをＰＷＭ制御することにより、直流電源２から負荷３への電力供給を制御する。

かかるＰＷＭ制御部２０の構成の一例について図２を用いて説明する。図２は、第１の実施形態に係るＰＷＭ制御部２０の構成の一例を示す図である。なお、図２では、ＰＷＭ制御部２０の特徴を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

図２に示すように、ＰＷＭ制御部２０は、電流制御器２１と、電圧制御器２２と、リミッタ２３と、指令成分演算器２４と、ＰＷＭ生成器３０とを備える。また、ＰＷＭ生成器３０は、搬送波生成器３１と、信号比較器３２と、分配器３３と、切替器３４と、反転回路３５〜３８とを備える。

なお、図１では図示を省略したが、電力変換装置１は、電圧検出器４および電流検出器５をさらに備える。電圧検出器４は、直流電源２の電源電圧を検出する検出器であり、一方の端子が直流電源２の正極に接続されるとともに他方の端子が直流電源２の負極に接続される。かかる電圧検出器４によって検出された電源電圧値Ｖｄｃは、電圧制御器２２へ出力される。

また、電流検出器５は、負荷３に流れる電流を検出する検出器であり、たとえば、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。かかる電流検出器５によって検出された電流値（以下、「電流フィードバック値」と記載する）Ｉｆｂは、電流制御器２１へ出力される。

電流制御器２１は、電流指令Ｉｒｅｆと電流フィードバック値Ｉｆｂとを比較して、これらの差分がゼロとなるように電圧指令Ｖｒｅｆ１を生成する。電流制御器２１によって生成された電圧指令Ｖｒｅｆ１は、電圧制御器２２へ出力される。

電圧制御器２２は、電流制御器２１から入力された電圧指令Ｖｒｅｆ１の電圧検出器４から入力された電源電圧値Ｖｄｃに対するデューティーを電圧指令Ｖｒｅｆ２として生成する。電圧制御器２２によって生成された電圧指令Ｖｒｅｆ２は、リミッタ２３へ出力される。

リミッタ２３は、電圧指令Ｖｒｅｆ２の上限リミッタである。すなわち、電力変換装置１においては、出力電圧パルスのデューティーが１００％に近づくとスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフ期間が短くなる。このため、必要によりかかるリミッタ２３を設け、出力電圧パルスのデューティーの上限値（例えば、９５％）で、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフ期間を制限している。リミッタ２３から出力された電圧指令Ｖｒｅｆ３は、指令成分演算器２４へ入力される。

指令成分演算器２４は、リミッタ２３から入力される電圧指令Ｖｒｅｆ３を用いて電圧指令Ｖｒｅｆ４と極性値Ｓｐとをそれぞれ演算する。ここで、電圧指令Ｖｒｅｆ４は、電圧指令Ｖｒｅｆ３の大きさを示す値すなわち絶対値である。なお、電圧指令Ｖｒｅｆ４は、搬送波生成器３１からの搬送波信号Ｓｃの大きさで正規化されるようレベル変換されている。また、極性値Ｓｐは、電圧指令Ｖｒｅｆ３の正負を示す値である。電圧指令Ｖｒｅｆ４は、信号比較器３２へ出力され、極性値Ｓｐは、切替器３４へ出力される。

搬送波生成器３１は、搬送波信号Ｓｃを生成して信号比較器３２へ出力する。信号比較器３２は、搬送波生成器３１から入力された搬送波信号Ｓｃと、指令成分演算器２４から入力された電圧指令Ｖｒｅｆ４とを比較することにより、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１を生成して分配器３３へ出力する。具体的には、搬送波生成器３１は、電圧指令Ｖｒｅｆ４が搬送波信号Ｓｃの信号レベルよりも大きい場合には、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１をＨｉｇｈレベルで出力し、電圧指令Ｖｒｅｆ４が搬送波信号Ｓｃの信号レベル以下である場合には、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１をＬｏｗレベルで出力する。

また、信号比較器３２は、常時Ｈｉｇｈレベル（アクティブレベル）に設定された第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２を分配器３３へ出力する。

なお、指令成分演算器２４から出力される電圧指令Ｖｒｅｆ４の更新は、搬送波信号Ｓｃの山および谷において行われる。

分配器３３は、たとえばレジスタであり、搬送波信号Ｓｃの１周期ごとに、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１と第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２とを交互に入れ替えて第１のＰＷＭ信号Ｓａおよび第２のＰＷＭ信号Ｓｂとしてセットする。

たとえば、分配器３３は、搬送波信号Ｓｃの奇数回目の周期では、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１を第１のＰＷＭ信号Ｓａとしてセットし、第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２を第２のＰＷＭ信号Ｓｂとしてセットする。また、分配器３３は、搬送波信号Ｓｃの偶数回目の周期では、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１を第２のＰＷＭ信号Ｓｂとしてセットし、第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２を第１のＰＷＭ信号Ｓａとしてセットする。

これにより、奇数回目の周期においては、第１のＰＷＭ信号Ｓａとして第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１が、第２のＰＷＭ信号Ｓｂとして第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２が、それぞれ分配器３３から出力される。また、偶数回目の周期においては、第１のＰＷＭ信号Ｓａとして第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２が、第２のＰＷＭ信号Ｓｂとして第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１が、それぞれ分配器３３から出力される。

このように、分配器３３は、搬送波信号Ｓｃの１周期毎に、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１と第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２とを交互に選択して第１のＰＷＭ信号Ｓａを生成する第１のＰＷＭ信号生成器の一例である。また、分配器３３は、搬送波信号Ｓｃの１周期毎に、第１のＰＷＭ信号Ｓａを生成する際の選択順番とは逆順で、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１と第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２とを交互に選択して第２のＰＷＭ信号Ｓｂを生成する第２のＰＷＭ信号生成器の一例でもある。

ここでは、ＰＷＭ制御部２０が、第１のＰＷＭ信号生成器および第２のＰＷＭ信号生成器として機能する分配器３３を備える場合の例を示したが、ＰＷＭ制御部は、第１のＰＷＭ信号生成器と第２のＰＷＭ信号生成器とを個別に備えてもよい。

切替器３４は、第１のＰＷＭ信号Ｓａの出力先を切り替える第１切替器と、第２のＰＷＭ信号Ｓｂの出力先を切り替える第２切替器とを備え、指令成分演算器２４から入力される極性値Ｓｐに従ってこれら第１切替器および第２切替器を切り替える。

具体的には、第１切替器は、接点ａ１，ｂ１，ｃ１を備える。接点ａ１は、第１のＰＷＭ信号Ｓａの出力端子に接続され、接点ｂ１は、ＰＷＭ制御部２０のスイッチング素子Ｑ１（図１参照）に接続され、接点ｃ１は、反転回路３５へ接続される。また、第２切替器は、接点ａ２，ｂ２，ｃ２を備える。接点ａ２は、第２のＰＷＭ信号Ｓｂの出力端子に接続され、接点ｂ２は、ＰＷＭ制御部２０のスイッチング素子Ｑ２（図１参照）に接続され、接点ｃ２は、反転回路３６へ接続される。

切替器３４は、極性値Ｓｐが正の場合、すなわち、直流電源２から負荷３へ正電圧を出力する正電圧出力モードの場合には、接点ａ１と接点ｂ１とを接続するとともに接点ａ２と接点ｂ２とを接続する。これにより、第１のＰＷＭ信号Ｓａが制御信号Ｓ１としてスイッチング素子Ｑ１へ出力され、第２のＰＷＭ信号Ｓｂが制御信号Ｓ２としてスイッチング素子Ｑ２へ出力される。

一方、切替器３４は、極性値Ｓｐが負の場合、すなわち、直流電源２から負荷３へ負電圧を出力する負電圧出力モードの場合には、接点ａ１と接点ｃ１とを接続するとともに接点ａ２と接点ｃ２とを接続する。これにより、第１のＰＷＭ信号Ｓａは、反転回路３５によって反転され、反転後の信号が制御信号Ｓ１としてスイッチング素子Ｑ１へ出力される。また、第２のＰＷＭ信号Ｓｂは、反転回路３６によって反転され、反転後の信号が制御信号Ｓ２としてスイッチング素子Ｑ２へ出力される。

このように、ＰＷＭ制御部２０は、直流電源２から負荷３へ正電圧を出力する正電圧出力モードの場合、第１のＰＷＭ信号Ｓａをスイッチング素子Ｑ１へ出力し、第２のＰＷＭ信号Ｓｂをスイッチング素子Ｑ２へ出力する。また、ＰＷＭ制御部２０は、直流電源２から負荷３へ負電圧を出力する負電圧出力モードの場合、第１のＰＷＭ信号Ｓａを反転させた信号をスイッチング素子Ｑ１へ出力し、第２のＰＷＭ信号Ｓｂを反転させた信号をスイッチング素子Ｑ２へ出力する。

また、ＰＷＭ生成器３０は、反転回路３７，３８を備える。かかる反転回路３７は、切替器３４の接点ｂ１から出力される第１のＰＷＭ信号Ｓａまたは反転回路３５から出力される第１のＰＷＭ信号Ｓａの反転信号を反転して制御信号Ｓ３としてスイッチング素子Ｑ３へ出力する。同様に、反転回路３８は、切替器３４の接点ｂ２から出力される第２のＰＷＭ信号Ｓｂまたは反転回路３６から出力される第２のＰＷＭ信号Ｓｂの反転信号を反転して制御信号Ｓ４としてスイッチング素子Ｑ４へ出力する。

このように、ＰＷＭ制御部２０は、制御信号Ｓ１を反転させた信号を制御信号Ｓ３としてスイッチング素子Ｑ３へ出力し、制御信号Ｓ２を反転させた信号を制御信号Ｓ４としてスイッチング素子Ｑ４へ出力する。

次に、制御信号Ｓ１〜Ｓ４の出力タイミングについて図３を参照して説明する。図３は、第１の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。なお、図３に示すように、分配器３３による第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１および第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２の入れ替えは、搬送波信号Ｓｃの谷が到来するタイミングｔ１〜ｔ５で行われる。

図３に示すように、第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１は、電圧指令Ｖｒｅｆ４が搬送波信号Ｓｃの信号レベルよりも大きい場合にはＨｉｇｈレベルで出力され、電圧指令Ｖｒｅｆ４が搬送波信号Ｓｃの信号レベル以下である場合にはＬｏｗレベルで出力される。また、第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２は、常時Ｈｉｇｈレベルで出力される。

また、搬送波信号Ｓｃの奇数回目の周期においては、第１のＰＷＭ信号Ｓａが第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１であり、第２のＰＷＭ信号Ｓｂが第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２である。したがって、第１のＰＷＭ信号Ｓａは第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１と一致し、第２のＰＷＭ信号Ｓｂは第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２と一致する。すなわち、周期が奇数回目の場合には、第２のＰＷＭ信号Ｓｂが常時Ｈｉｇｈレベルで出力される。

一方、偶数回目の周期においては、第２のＰＷＭ信号Ｓｂが第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１であり、第１のＰＷＭ信号Ｓａが第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２である。したがって、第１のＰＷＭ信号Ｓａは第２のＰＷＭ原信号ＰＷＭ２と一致し、第２のＰＷＭ信号Ｓｂは第１のＰＷＭ原信号ＰＷＭ１と一致する。すなわち、周期が偶数回目の場合には、第１のＰＷＭ信号Ｓａが常時Ｈｉｇｈレベルで出力される。

また、極性値Ｓｐが正（すなわち、電圧指令Ｖｒｅｆ３≧０）の場合、第１のＰＷＭ信号Ｓａは、反転回路３５（図２参照）で反転されることなくそのまま制御信号Ｓ１として出力され、第２のＰＷＭ信号Ｓｂも、反転回路３６（図２参照）で反転されることなくそのまま制御信号Ｓ２として出力される。したがって、極性値Ｓｐが正の場合には、制御信号Ｓ１は第１のＰＷＭ信号Ｓａと一致し、制御信号Ｓ２は第２のＰＷＭ信号Ｓｂと一致する。

そして、電力変換装置１では、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２がともにＨｉｇｈレベルの場合、すなわち、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２の双方がオンされた場合に、正電圧が出力される。

一方、極性値Ｓｐが負（すなわち、電圧指令Ｖｒｅｆ３＜０）の場合、第１のＰＷＭ信号Ｓａおよび第２のＰＷＭ信号Ｓｂは、それぞれ反転回路３５および反転回路３６（図２参照）によって反転される。したがって、極性値Ｓｐが負であり、かつ、周期が奇数回目の場合には、第１のＰＷＭ信号Ｓａを反転させた信号が制御信号Ｓ１として出力され、第２のＰＷＭ信号Ｓｂを反転させた信号が制御信号Ｓ２として出力される。また、極性値Ｓｐが負であり、かつ、周期が偶数回目の場合には、第２のＰＷＭ信号Ｓｂを反転させた信号が制御信号Ｓ１として出力され、第１のＰＷＭ信号Ｓａを反転させた信号が制御信号Ｓ２として出力される。

また、制御信号Ｓ３および制御信号Ｓ４は、それぞれ制御信号Ｓ１を反転回路３７および反転回路３８（図２参照）で反転させた信号である。したがって、極性値Ｓｐが負であり、かつ、周期が奇数回目の場合には、制御信号Ｓ２を反転させた信号、すなわち、常時Ｈｉｇｈレベルの信号が制御信号Ｓ４として出力され、極性値Ｓｐが負であり、かつ、周期が奇数回目の場合には、制御信号Ｓ１を反転させた信号、すなわち、常時Ｈｉｇｈレベルの信号が制御信号Ｓ３として出力される。

そして、電力変換装置１では、制御信号Ｓ３および制御信号Ｓ４がともにＨｉｇｈレベルの場合、すなわち、スイッチング素子Ｑ３およびスイッチング素子Ｑ４の双方がオンされた場合に、負電圧が出力される。

このように、ＰＷＭ制御部２０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御して直流電源２から負荷３へ電圧出力を行うオン期間Ｔｏｎと直流電源２から負荷３へ電圧出力を行わないオフ期間Ｔｏｆｆとを繰り返す。オン期間Ｔｏｎは、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２がともにＨｉｇｈレベル（アクティブレベル）の期間である。すなわち、電力変換部１０は、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２がともにＨｉｇｈレベル、つまり、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２がともにオンされた場合に正電圧（＋Ｖｄｃ）を出力する。

一方、オフ期間Ｔｏｆｆは、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２の一方がＨｉｇｈレベルであり他方がＬｏｗレベルである期間である。ＰＷＭ制御部２０は、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈレベル、制御信号Ｓ２がＬｏｗレベルである状態と、制御信号Ｓ１がＬｏｗレベル、制御信号Ｓ２がＨｉｇｈレベルである状態とをオフ期間Ｔｏｆｆごとに切り替える。すなわち、ＰＷＭ制御部２０は、オフ期間Ｔｏｆｆ毎に、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とを交互にオンにする。

これにより、微小電圧を出力する場合であっても、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間が短くならないようにＰＷＭ制御している。

上述してきたように、第１の実施形態に係る電力変換装置１は、電力変換部１０と、ＰＷＭ制御部２０とを備える。電力変換部１０は、直流電源２の正極と負荷３の一端に接続されるスイッチング素子Ｑ１と、直流電源２の負極と負荷３の他端に接続されるスイッチング素子Ｑ２と、直流電源２の正極と負荷３の他端に接続されるスイッチング素子Ｑ３と、直流電源２の負極と負荷３の一端に接続されるスイッチング素子Ｑ４とを有する。ＰＷＭ制御部２０は、電力変換部１０をＰＷＭ制御して直流電源２から負荷３へ電圧出力を行うオン期間Ｔｏｎと電圧出力を行わないオフ期間Ｔｏｆｆとを繰り返す。そして、ＰＷＭ制御部２０は、搬送波周期の間常にハイレベルまたはローレベルに設定された信号に基づき、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とを交互に制御する。

これにより、微小電圧を出力する場合であってもスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフ期間を短くする必要がないため、出力電圧の精度を高めることができる。また、従来と比較してスイッチング回数が少ないため、スイッチング損失を低減することができる。

また、第１の実施形態に係る電力変換装置１は、ＰＷＭ制御部２０が、オフ期間Ｔｏｆｆ毎に、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とを交互にオンにすることにより、負荷３に対して交流電力を出力することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、負荷に対して交流電力を出力する電力変換装置の一例について説明したが、第２の実施形態では、負荷に対して直流電力を出力する電力変換装置の一例について説明する。

図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。以下の説明では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図４に示すように、第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａは、電力変換部１０に代えて、電力変換部１０Ａを備える。また、電力変換装置１Ａは、ＰＷＭ制御部２０に代えて、ＰＷＭ制御部２０Ａを備える。かかる電力変換装置１Ａは、負荷３Ａに対して一定方向の電流を継続して供給する。負荷３Ａは誘導性負荷であり、コイルＬと、銅損等による抵抗Ｒとを備える。

電力変換部１０Ａは、スイッチング素子Ｑ３およびスイッチング素子Ｑ４に代えて、スイッチング素子Ｑ３Ａおよびスイッチング素子Ｑ４Ａをそれぞれ備える。これらスイッチング素子Ｑ３Ａおよびスイッチング素子Ｑ４Ａは、常時オフ状態となるように入力ノードが固定され、スイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４ＡのＰＷＭ制御は行われない。たとえば、スイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４ＡがＩＧＢＴである場合、ゲートとエミッタとが短絡される。なお、ゲートとエミッタと短絡せずに、ＰＷＭ制御部２０Ａからスイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａに対して常時Ｌｏｗレベルの信号を出力してもよい。

ＰＷＭ制御部２０Ａは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対してそれぞれ制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力することによって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフを制御する。これにより、ＰＷＭ制御部２０Ａは、直流電源２から負荷３への直流電力の供給を制御する。

次に、第２の実施形態に係るＰＷＭ制御部２０Ａの構成の一例について図５を用いて説明する。図５は、第２の実施形態に係るＰＷＭ制御部２０Ａの構成の一例を示す図である。

図５に示すように、ＰＷＭ制御部２０Ａは、ＰＷＭ生成器３０に代えて、ＰＷＭ生成器３０Ａを備える。ＰＷＭ生成器３０Ａは、ＰＷＭ生成器３０から反転回路３７および反転回路３８を取り除いた構成を有する。したがって、第２の実施形態に係るＰＷＭ制御部２０Ａからは、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２のみが出力される。

次に、制御信号Ｓ１，Ｓ２の出力タイミングについて図６を参照して説明する。図６は、第２の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。図６に示すように、第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａでは、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２がともにＨｉｇｈレベルの期間において正電圧が出力され、負荷３Ａに一定方向の直流電流Ｉｏが流れる。つづいて、電力変換装置１Ａでは、制御信号Ｓ１および制御信号Ｓ２がともにＬｏｗレベルの期間において負電圧が出力される。

すなわち、制御信号Ｓ１，Ｓ２がともにＬｏｗレベルの場合、すべてのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａがオフされた状態となり、直流電源２→スイッチング素子Ｑ３Ａのダイオード→負荷３Ａ→スイッチング素子Ｑ４Ａのダイオード→直流電源２の経路で電流が流れる。この結果、負電圧が出力され、負荷３Ａに流れる直流電流Ｉｏの大きさが変化する。

一方、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈレベルであり、制御信号Ｓ２がＬｏｗレベルである場合には、スイッチング素子Ｑ１のみがオンされた状態となる。かかる場合、スイッチング素子Ｑ１→負荷３Ａ→スイッチング素子Ｑ４Ａのダイオード→スイッチング素子Ｑ１の経路で電流が循環する還流モードとなり、電圧は出力されない。

また、制御信号Ｓ１がＬｏｗレベルであり、制御信号Ｓ２がＨｉｇｈレベルである場合には、スイッチング素子Ｑ２のみがオンされた状態となる。かかる場合、スイッチング素子Ｑ２→スイッチング素子Ｑ３Ａのダイオード→負荷３Ａ→スイッチング素子Ｑ２の経路で電流が循環する還流モードとなり、かかる場合も電圧は出力されない。

また、制御信号Ｓ１，Ｓ２がともにＨｉｇｈレベルの場合には、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２がともにオンされて、第１の実施形態と同様に正電圧（＋Ｖｄｃ）が出力される。

このように、本願の開示する電力変換装置は、負荷に対して直流電力を出力する電力変換装置に対して本願の開示する電力変換装置を適用することも可能である。

なお、ここでは、電力変換部１０Ａが４つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａを備える場合の例を示した。しかし、負荷が誘導性負荷である場合、電力変換部は、スイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａに代えてダイオードを備える構成であってもよい。このように、スイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａをダイオードに置き換えた場合であっても、上述した第２の実施形態と同様に動作することができる。

また、ここでは、スイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａが常時オフ状態となるように構成されたスイッチング素子であり、これらスイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａの制御を行わない場合の例について説明した。しかし、たとえばスイッチング素子Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａに代えてスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を設け、これらスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に対してＰＷＭ制御部から常時Ｌｏｗレベルの制御信号を出力し続けるようにしてもよい。

（第３の実施形態）
ところで、図３や図６に示すように、極性値Ｓｐが切り替わるタイミング（ここでは、正→負）においては、制御信号が反転する結果、制御信号をＨｉｇｈレベルで出力する期間が短くなるおそれがある。つまり、スイッチング素子のオン期間が短くなるおそれがある。そこで、第３の実施形態では、かかる事象を生じさせないための対策を施す場合の例について説明する。

図７は、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御部の構成の一例を示す図である。また、図８は、第３の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。なお、ここでは、一例として、第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａに変更を加えた場合の例を説明するが、第１の実施形態に係る電力変換装置１も同様の変更が可能である。

図７に示すように、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御部２０Ｂは、第２の実施形態に係るＰＷＭ制御部２０Ａが備える指令成分演算器２４に代えて補償指令成分演算器２４Ｂを備える。その他の構成については、ＰＷＭ制御部２０Ａと同様であり、ＰＷＭ制御部２０，２０Ａと同様、極性値Ｓｐが正の場合に正電圧出力モードで動作し、極性値Ｓｐが負の場合には負電圧出力モードで動作する。

補償指令成分演算器２４Ｂは、電圧指令Ｖｒｅｆ３の極性変化時から所定時間は、極性変化直前の極性値Ｓｐを切替器３４へ出力する。具体的には、補償指令成分演算器２４Ｂは、極性値の前回値を保持しておき、今回の極性値が前回値から変化した場合には、極性値の更新を搬送波信号Ｓｃの半周期後に行う。たとえば、補償指令成分演算器２４Ｂは、電圧指令Ｖｒｅｆ３の極性が正から負へ変化した場合、極性が正から負へ変化したタイミングからの半周期については極性値Ｓｐとして正を出力する（図８参照）。また、補償指令成分演算器２４Ｂは、電圧指令Ｖｒｅｆ３の極性が負から正へ変化した場合、極性が負から正へ変化したタイミングからの半周期については極性値Ｓｐとして負を出力する。

これにより、図８に示すように、極性が切り替わった電圧指令Ｖｒｅｆ３の更新タイミングが搬送波信号Ｓｃの半周期分遅れることとなるが、制御信号をＨｉｇｈレベルで出力する期間が短くなるおそれがない。

なお、上記の対策を行った場合、本来出力すべき電圧の極性を反転させた電圧が出力されることとなる。たとえば、本来ならば−Ｖｄｃの負電圧が出力されるべき期間において＋Ｖｄｃの正電圧が出力されることとなり、２Ｖｄｃ分の誤差が生じることとなる。そこで、補償指令成分演算器２４Ｂは、次回以降のオン期間においてかかる誤差が補償されるように、電圧指令Ｖｒｅｆ４を補正してもよい。

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。

Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ３Ａ，Ｑ４Ａ スイッチング素子
１，１Ａ 電力変換装置
２ 直流電源
３，３Ａ 負荷
１０，１０Ａ 電力変換部
２０，２０Ａ，２０Ｂ ＰＷＭ制御部
２３ リミッタ
２４ 指令成分演算器
２４Ｂ 補償指令成分演算器
３０，３０Ａ ＰＷＭ生成器
３３ 分配器
３４ 切替器
３５〜３８ 反転回路

Claims (7)

1. 直流電源の正極と負荷の一端に接続される第１のスイッチング素子と、前記直流電源の負極と前記負荷の他端に接続される第２のスイッチング素子と、前記直流電源の正極と前記負荷の他端に接続される第３のスイッチング素子と、前記直流電源の負極と前記負荷の一端に接続される第４のスイッチング素子とを有する電力変換部と、
   前記電力変換部をＰＷＭ制御して前記直流電源から前記負荷へ電圧出力を行うオン期間と前記電圧出力を行わないオフ期間とを繰り返すＰＷＭ制御部と
   を備え、
   前記ＰＷＭ制御部は、
   搬送波信号の１周期の間、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のうちの一方を指令値と前記搬送波信号との比較に基づいて制御するとともに、他方を常時オン状態または常時オフ状態とし、かつ、前記指令値と前記搬送波信号との比較に基づいて制御するスイッチング素子と常時オン状態または常時オフ状態とするスイッチング素子とを前記搬送波信号の１周期毎に切り替えること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記ＰＷＭ制御部は、
   前記指令値と前記搬送波信号との比較に基づいた第１のＰＷＭ原信号と、ハイレベルまたはローレベルに設定された第２のＰＷＭ原信号とを出力する信号比較器と、
   前記搬送波信号の１周期毎に、第１のＰＷＭ原信号と第２のＰＷＭ原信号とを交互に選択して第１のＰＷＭ信号を生成する第１のＰＷＭ信号生成器と、
   前記搬送波信号の１周期毎に、前記第１のＰＷＭ信号を生成する際の選択順番とは逆順で、第１のＰＷＭ原信号と第２のＰＷＭ原信号とを交互に選択して第２のＰＷＭ信号を生成する第２のＰＷＭ信号生成器と、を備え、
   前記第１のＰＷＭ信号および前記第２のＰＷＭ信号に基づいて、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを制御す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ＰＷＭ制御部は、
   前記直流電源から前記負荷へ正電圧を出力する正電圧出力モードの場合、前記第１のＰＷＭ信号を前記第１のスイッチング素子へ出力し、かつ、前記第２のＰＷＭ信号を前記第２のスイッチング素子へ出力し、前記直流電源から前記負荷へ負電圧を出力する負電圧出力モードの場合、前記第１のＰＷＭ信号を反転させた信号を前記第１のスイッチング素子へ出力し、かつ、前記第２のＰＷＭ信号を反転させた信号を前記第２のスイッチング素子へ出力することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 電圧指令の大きさを示す前記指令値と、前記電圧指令の極性を示す極性値とを演算する指令成分演算器を備え、
   前記ＰＷＭ制御部は、
   前記極性値が正の場合に前記正電圧出力モードで動作する一方、前記極性値が負の場合に、前記負電圧出力モードで動作し、
   前記指令成分演算器は、
   前記電圧指令の極性変化時から所定時間は、前記極性変化直前の前記極性値を出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記電圧指令の上限リミッタを前記指令成分演算器の前段に備えることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記ＰＷＭ制御部は、
   前記オフ期間毎に、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とを交互にオンにすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電力変換装置。
7. 前記負荷は、誘導性負荷であり、
   前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子をダイオードに置き換えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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