JP6639762B1 - 3レベル電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の電力変換装置1の構成を示す図である。この電力変換装置1は、3レベル電力変換装置である。以下の説明においても、3レベル電力変換装置を電力変換装置と記載する。
まず、スイッチング素子11とスイッチング素子12とを使用しない場合について説明する。スイッチング素子11とスイッチング素子12とを使用しないとは、スイッチング素子11とスイッチング素子12とが常時オフ状態であるか、あるいは電力変換装置1が、スイッチング素子11とスイッチング素子12とを備えない場合を意味する。
スイッチング素子5とスイッチング素子8とスイッチング素子10とがスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子5およびスイッチング素子8のスイッチング動作に対して、スイッチング素子10のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子6とスイッチング素子7とは常時オフ状態となる。スイッチング素子9は常時オン状態となる。
スイッチング素子6とスイッチング素子7とスイッチング素子9とがスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子6およびスイッチング素子7のスイッチング動作に対して、スイッチング素子9のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子5とスイッチング素子8とは常時オフ状態となる。スイッチング素子10は常時オン状態となる。
交流電圧が正、かつ交流電流が正の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいときの動作について説明する。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
交流電圧が負、かつ交流電流が負の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいときの動作について説明する。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
次に、スイッチング素子11とスイッチング素子12とを使用した場合について説明する。
交流電圧が正、かつ交流電流が正の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいときの動作について説明する。なお、交流電源17の電圧と交流電源18の電圧は、例えばそれぞれ100[V]になるように制御回路35によって制御されているものとする。この場合には、交流電源17および交流電源18は、交流負荷として動作するし、交流電源17で消費する電力が交流電源18で消費する電力よりも大きくなる。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも多くなる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
交流電圧が負、かつ交流電流が負の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいときの動作について説明する。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きくなる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
交流電圧が正、かつ交流電流が正の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいときの動作について説明する。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さくなる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
交流電圧が負、かつ交流電流が負の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいときの動作について説明する。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さくなる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
図24は、実施の形態2の電力変換装置1の構成を示す図である。
スイッチング素子5,8,10がスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子5,8のスイッチング動作に対して、スイッチング素子10のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子6,7は常時オフ状態となる。スイッチング素子9は常時オン状態となる。
スイッチング素子6,7,9がスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子6,7のスイッチング動作に対して、スイッチング素子9のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子5,8は常時オフ状態となる。スイッチング素子10は常時オン状態となる。
交流電圧が正のときには、コンデンサ15の第1端子の電圧が正となり、第2端子の電圧が負となり、コンデンサ16の第1端子の電圧が負となり、第2端子の電圧が正となる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
交流電圧が負のときには、コンデンサ15の第1端子の電圧が負となり、第2端子の電圧が正となり、コンデンサ16の第1端子の電圧が正となり、第2端子の電圧が負となる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
図32は、実施の形態3の電力変換装置1の構成を示す図である。
図33は、実施の形態4の電力変換装置1の構成を示す図である。
第2の双方向スイッチBD2は、スイッチング素子11(第8のスイッチング素子)と、スイッチング素子12(第7のスイッチング素子)と、ダイオードD11(第8のダイオード)と、ダイオードD12(第7のダイオード)とを備える。
実施の形態5.
図34は、実施の形態5の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態6.
図35は、実施の形態6の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態7.
図36は、実施の形態7の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態8.
図37は、実施の形態8の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態9.
図38は、実施の形態9の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態10.
図39は、実施の形態10の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態11.
図40は、実施の形態11の電力変換装置1の構成を示す図である。
なお、上記実施の形態1〜11では、交流電圧の位相と交流電流の位相とが同一の場合を例として説明したが、その限りではない。交流電圧の位相と交流電流の位相とがπだけずれていてもよい。さらに、交流電圧の位相と交流電流の位相のずれ量がπ以外であってもよい。このような場合でも、電力変換装置は、第2の双方向スイッチを備えることによって、第2の双方向スイッチを備えない場合に比べて、安定した動作を継続することができる。
Claims (18)
- 直流電源の正極が接続される第1のノードと第2のノードとの間に配置された第1のコンデンサ、および前記第2のノードと前記直流電源の負極が接続される第3のノードとの間に配置された第2のコンデンサを含む第1のフィルタ回路と、
前記第1のノードと前記第3のノードとの間に並列に配置された第1レグおよび第2レグを含むブリッジ回路と、
前記第1レグの中点である第4のノードと前記第2レグの中点である第5のノードとの間に配置される第1の双方向スイッチを含む第3レグを含むクランプ回路と、
前記第4のノードと接続される第1端子と第6のノードと接続される第2端子とを有する第1のリアクトルと、前記第5のノードと接続される第1端子と第7のノードと接続される第2端子とを有する第2のリアクトルとを含む第2のフィルタ回路と、
前記第2のノードと、前記第4のノードまたは前記第5のノードとの間に配置された第2の双方向スイッチを含む第4レグとを備え、
前記第2のノードに、第1の交流電源の第1端子と第2の交流電源の第1端子とが接続され、前記第6のノードに、前記第1の交流電源の第2端子が接続され、前記第7のノードに、前記第2の交流電源の第2端子が接続された、3レベル電力変換装置。 - 前記第1レグは、
前記第1のノードと前記第4のノードとの間に配置された第1のスイッチング素子と、
前記第4のノードと前記第3のノードとの間に配置された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子と逆並列に接続された第1のダイオードと、
前記第2のスイッチング素子と逆並列に接続された第2のダイオードとを含み、
前記第2レグは、
前記第1のノードと前記第5のノードとの間に配置された第3のスイッチング素子と、
前記第5のノードと前記第3のノードとの間に配置された第4のスイッチング素子と、
前記第3のスイッチング素子と逆並列に接続された第3のダイオードと、
前記第4のスイッチング素子と逆並列に接続された第4のダイオードとを含む、請求項1記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第1の双方向スイッチは、
前記第4のノードと第8のノードとの間に配置された第5のスイッチング素子および前記第8のノードと前記第5のノードとの間に配置された第6のスイッチング素子と、
前記第5のスイッチング素子と逆並列に接続された第5のダイオードと、
前記第6のスイッチング素子と逆並列に接続された第6のダイオードとを含み、
前記第5のスイッチング素子の正極と前記第6のスイッチング素子の正極とが前記第8のノードに接続される、請求項2記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第1の双方向スイッチは、
前記第4のノードと第8のノードとの間に配置された第5のスイッチング素子および前記第8のノードと前記第5のノードとの間に配置された第6のスイッチング素子と、
前記第5のスイッチング素子と逆並列に接続された第5のダイオードと、
前記第6のスイッチング素子と逆並列に接続された第6のダイオードとを含み、
前記第5のスイッチング素子の負極と前記第6のスイッチング素子の負極とが前記第8のノードに接続される、請求項2記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第1の双方向スイッチは、
前記第4のノードと前記第5のノードとの間に逆並列に接続された第5のスイッチング素子および第6のスイッチング素子を含む、請求項2記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2の双方向スイッチは、
前記第2のノードと第9のノードとの間に配置された第7のスイッチング素子および前記第9のノードと前記第4のノードとの間に配置された第8のスイッチング素子と、
前記第7のスイッチング素子と逆並列に接続された第7のダイオードと、
前記第8のスイッチング素子と逆並列に接続された第8のダイオードとを含み、
前記第7のスイッチング素子の正極と前記第8のスイッチング素子の正極とが前記第9のノードに接続される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2の双方向スイッチは、
前記第2のノードと第9のノードとの間に配置された第7のスイッチング素子および前記第9のノードと前記第4のノードとの間に配置された第8のスイッチング素子と、
前記第7のスイッチング素子と逆並列に接続された第7のダイオードと、
前記第8のスイッチング素子と逆並列に接続された第8のダイオードとを含み、
前記第7のスイッチング素子の負極と前記第8のスイッチング素子の負極とが前記第9のノードに接続される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2の双方向スイッチは、
前記第2のノードと前記第4のノードとの間に逆並列に接続された第7のスイッチング素子および第8のスイッチング素子を含む、請求項3〜5のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第1の双方向スイッチを駆動する駆動信号のレベルと、前記第2の双方向スイッチを駆動する駆動信号のレベルとは、同一である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記第1のリアクトルと前記第2のリアクトルとが磁気的に結合している、請求項1〜9のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記第2のフィルタ回路は、さらに、前記第6のノードと、前記第7のノードとの間に直列に接続された第3のコンデンサおよび第4のコンデンサを含む、請求項6〜8のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記第3のコンデンサの第1端子は、前記第6のノードと接続され、前記第3のコンデンサの第2端子は、前記第2のノードに接続され、
前記第4のコンデンサの第1端子は、前記第7のノードと接続され、前記第4のコンデンサの第2端子は、前記第2のノードに接続される、請求項11記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2のフィルタ回路は、さらに、前記第6のノードと前記第2のノードとの間に配置された第3のコンデンサと、前記第2のノードと前記第7のノードとの間に配置された第4のコンデンサとを含み、
前記第1の交流電源の前記第1端子と前記第2の交流電源の前記第1端子とは、切替スイッチを介して前記第2のノードと接続され、
単相3線式動作時において、前記切替スイッチをオンにし、単相2線式動作時において、前記切替スイッチをオフにする制御回路とを備える、請求項6〜8のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記単相2線式動作時において、前記第2の双方向スイッチを常にオフとする、請求項13記載の3レベル電力変換装置。
- 前記第3のコンデンサの前記第1端子の電位が正、前記第3のコンデンサの前記第2端子の電位が負、前記第4のコンデンサの前記第1端子の電位が負、前記第4のコンデンサの前記第2端子の電位が正、かつ前記第1のリアクトルの前記第1端子から前記第1のリアクトルの前記第2端子へ電流が流れるときに、
前記第5のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子を常時オンとし、
前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子を常時オフとし、
前記第1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同一のタイミングでスイッチング制御し、
前記第6のスイッチング素子および前記第7のスイッチング素子を、前記第1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のスイッチングのタイミングと相補的なタイミングでスイッチング制御し、
前記第1のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子、前記第6のスイッチング素子、および前記第7のスイッチング素子が同時にオフとなるデッドタイムを設定する制御回路を備える、請求項12に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第3のコンデンサの前記第1端子の電位が負、前記第3のコンデンサの前記第2端子の電位が正、前記第4のコンデンサの前記第1端子の電位が正、前記第4のコンデンサの前記第2端子の電位が負、かつ前記第1のリアクトルの前記第2端子から前記第1のリアクトルの前記第1端子へ電流が流れるときに、
前記第6のスイッチング素子および前記第7のスイッチング素子を常時オンとし、
前記第1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常時オフとし、
前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子を同一のタイミングでスイッチング制御し、
前記第5のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子を、前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子のスイッチングのタイミングと相補的なタイミングでスイッチング制御し、
前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、前記第5のスイッチング素子、および前記第8のスイッチング素子が同時にオフとなるデッドタイムを設定する背制御回路を備える、請求項15に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記単相2線式動作時において、
前記第3のコンデンサの前記第1端子の電位が正、前記第3のコンデンサの前記第2端子の電位が負、前記第4のコンデンサの前記第1端子の電位が負、前記第4のコンデンサの前記第2端子の電位が正、かつ前記第1のリアクトルの前記第1端子から前記第1のリアクトルの前記第2端子へ電流が流れるときに、
前記第5のスイッチング素子を常時オンとし、
前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、前記第7のスイッチング素子、および前記第8のスイッチング素子を常時オフとし、
前記第1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同一のタイミングでスイッチング制御し、
前記第6のスイッチング素子を、前記第1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のスイッチングのタイミングと相補的なタイミングでスイッチング制御し、
前記第1のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子、および前記第6のスイッチング素子が同時にオフとなるデッドタイムを設定する、請求項14に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記単相2線式動作時において、
前記第3のコンデンサの前記第1端子の電位が負、前記第3のコンデンサの前記第2端子の電位が正、前記第4のコンデンサの前記第1端子の電位が正、前記第4のコンデンサの前記第2端子の電位が負、かつ前記第1のリアクトルの前記第2端子から前記第1のリアクトルの前記第1端子へ電流が流れるときに、
前記第6のスイッチング素子を常時オンとし、
前記第1のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子、前記第7のスイッチング素子、および前記第8のスイッチング素子を常時オフとし、
前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子を同一のタイミングでスイッチング制御し、
前記第5のスイッチング素子を、前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子のスイッチングのタイミングと相補的なタイミングでスイッチング制御し、
前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、および前記第5のスイッチング素子が同時にオフとなるデッドタイムを設定する、請求項17に記載の3レベル電力変換装置。
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