JP6834730B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

特許文献１には、双方向スイッチング素子を用いた電力変換回路が開示されている。この回路においては、各双方向スイッチング素子のスイッチングタイミングに差が生じた場合、各双方向スイッチング素子電圧が不均等になり、特定の双方向スイッチング素子に過電圧が印加される可能性がある。これに対処するために充放電スナバ回路を用いた場合、回路が大型化し、損失が増大する。

非特許文献１に記載の電力変換回路においては、複数の回路セルを用いて分圧することで、各素子電圧を低減することができる。この電力変換回路は、高圧の交流電圧を低圧の直流電圧に変換する回路であり、高圧側に交流電圧を制御するためのコンデンサが設置されて電力バランスが調整される。

特開２０１６−２２６１６２号公報

Volume/ weight/ cost comparison of a 1MVA 10kv/400V solid-state against a conventional low-frequency distribution transformer J.E. Huber, Johann W.Kolar ECCE Sept. 2014 Pittsburgh

ところで、高圧側にコンデンサを設置した場合、コンデンサの容量は高圧側の電圧に依存するため、コンデンサの低容量化や小型化が困難になる。

本発明の目的は、電力変換装置において、電力バランス用のコンデンサの低容量化を可能にすることにある。

請求項１に記載の発明は、電力変換を行う複数のセルと、各セルの電力変換を制御する制御回路と、を含み、前記セルは、交流電力を交流電力に変換する入力側回路と、前記入力側回路からの交流電力を直流電力に変換する出力側回路と、を含み、前記入力側回路は、入力側から入力される交流電力を交流電力に変換し、その変換した交流電力を出力側に接続される前記出力側回路に入力し、複数の入力側回路の前記入力側が直列に接続されており、前記出力側回路は、電圧バランス用のコンデンサと直流電源とを含み、前記制御回路は、前記出力側回路に設けられた前記コンデンサの電圧を制御することで各セルの電圧バランスを行う回路であり、前記セルは、前記入力側回路と前記出力側回路とを磁気結合するトランスを更に含み、前記出力側回路は、複数のスイッチング素子を更に含み、前記コンデンサの両端は、前記複数のスイッチング素子を介して前記トランスの両端に接続されており、前記直流電源の一端は、前記トランスの中点に接続され、前記直流電源の他端は、前記コンデンサの一端に接続されおり、前記制御回路は、前記出力側回路に設けられた前記複数のスイッチング素子の動作を制御することで、電圧バランスを制御する、ことを特徴とする電力変換装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記制御回路は、前記直流電源の電圧に応じて、前記複数のスイッチング素子のオン期間及びオフ期間を変えて前記複数のスイッチング素子の動作を制御する、ことを特徴とする電力変換装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電力変換装置において、前記セル毎に、前記直流電源の電圧が異なる、ことを特徴とする電力変換装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子の動作を制御することで、前記複数のセルの中の特定のセルに含まれる特定の出力側回路に対して、前記特定の出力側回路と対になる前記入力側回路から電力を供給し、前記特定の出力側回路以外の出力側回路を、その出力側回路と対になる前記入力側回路に対して短絡回路として機能させる、ことを特徴とする電力変換装置である。

本発明によれば、電力変換装置において、電力バランス用のコンデンサの低容量化が可能となる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置を示す図である。 Ｕ相セル群の構成を示す図である。 電力変換装置を示す図である。 電圧関係を示す図である。 各期間における各スイッチング素子のスイッチング状態を示す図である。 各期間の長さを示す図である。 各セルに関するシーケンスを示す図である。 電流経路を示す図である。 比較例に係る電力変換装置を示す図である。 制御回路を示すブロック図である。 制御回路を示すブロック図である。 Ｕ相セル群の構成を示す図である。 動作波形を示す図である。

図１には、本実施形態に係る電力変換装置１０が示されている。本実施形態に係る電力変換装置１０は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車又は燃料電池自動車等の車両に搭載され、当該車両に設けられている負荷に供給する電力を調整する装置である。もちろん、電力変換装置１０は、車両以外の用途に用いられてもよい。

電力変換装置１０は、複数相の電力変換回路を含み、各相の電力変換回路は、交流電源を含む電力系統ＶＳに接続されている。図１に示す例では、電力変換装置１０は、Ｕ相の電力変換回路に相当するＵ相セル群１２Ｕと、Ｖ相の電力変換回路に相当するＶ相セル群１２Ｖと、Ｗ相の電力変換回路に相当するＷ相セル群１２Ｗと、を含み、各相の電力変換回路は、三相交流電源を含む電力系統ＶＳに接続されている。具体的には、Ｕ相セル群１２Ｕの一端は、電力系統ＶＳのＵ相ラインに接続され、Ｖ相セル群１２Ｖの一端は、電力系統ＶＳのＶ相ラインに接続され、Ｗ相セル群１２Ｗの一端は、電力系統ＶＳのＷ相ラインに接続されている。Ｕ相セル群１２Ｕの他端、Ｖ相セル群１２Ｖの他端、及び、Ｗ相セル群１２Ｗの他端は、中点Ｎに接続されている。

Ｕ相セル群１２Ｕは、複数のセル（例えば、セル１４Ａ１，１４Ｂ１，・・・，１４Ｎ１）を含み、Ｖ相セル群１２Ｖは、複数のセル（例えば、セル１４Ａ２，１４Ｂ２，・・・，１４Ｎ２）を含み、Ｗ相セル群１２Ｗは、複数のセル（例えば、セル１４Ａ３，１４Ｂ３，・・・，１４Ｎ３）を含む。

各セルは、交流電力を交流電力に変換する入力側回路と、入力側回路から供給された交流電力を直流電力に変換する出力側回路と、入力側回路と出力側回路とを磁気結合するトランスと、を含む。また、出力側回路は、直流電源とコンデンサとを含む。

例えば、セル１４Ａ１は、入力側回路１６Ａ１と、出力側回路１８Ａ１と、入力側回路１６Ａ１と出力側回路１８Ａ１とを磁気結合するトランスＴＡ１と、を含む。出力側回路１８Ａ１は、直流電源２０Ａ１とコンデンサＣＡ１とを含む。同様に、セル１４Ｂ１は、入力側回路１６Ｂ１と、出力側回路１８Ｂ１と、入力側回路１６Ｂ１と出力側回路１８Ｂ１とを磁気結合するトランスＴＢ１と、を含む。出力側回路１８Ｂ１は、直流電源２０Ｂ１とコンデンサＣＢ１とを含む。同様に、セル１４Ｎ１は、入力側回路１６Ｎ１と、出力側回路１８Ｎ１と、入力側回路１６Ｎ１と出力側回路１８Ｎ１とを磁気結合するトランスＴＮ１と、を含む。出力側回路１８Ｎ１は、直流電源２０Ｎ１とコンデンサＣＮ１とを含む。入力側回路１６Ａ１，１６Ｂ１，・・・，１６Ｎ１は、互いに直列に接続されている。入力側回路１６Ａ１の一端は、電力系統ＶＳのＵ相ラインに接続されており、入力側回路１６Ｎ１の一端は、中点Ｎに接続されている。また、出力側回路１８Ａ１，１８Ｂ１，・・・，１８Ｎ１は、互いに並列に接続されている。

セル１４Ａ２は、入力側回路１６Ａ２と、出力側回路１８Ａ２と、入力側回路１６Ａ２と出力側回路１８Ａ２とを磁気結合するトランスＴＡ２と、を含む。出力側回路１８Ａ２は、直流電源２０Ａ２とコンデンサＣＡ２とを含む。同様に、セル１４Ｂ２は、入力側回路１６Ｂ２と、出力側回路１８Ｂ２と、入力側回路１６Ｂ２と出力側回路１８Ｂ２とを磁気結合するトランスＴＢ２と、を含む。出力側回路１８Ｂ２は、直流電源２０Ｂ２とコンデンサＣＢ２とを含む。同様に、セル１４Ｎ２は、入力側回路１６Ｎ２と、出力側回路１８Ｎ２と、入力側回路１６Ｎ２と出力側回路１８Ｎ２とを磁気結合するトランスＴＮ２と、を含む。出力側回路１８Ｎ２は、直流電源２０Ｎ２とコンデンサＣＮ２とを含む。入力側回路１６Ａ２，１６Ｂ２，・・・，１６Ｎ２は、互いに直列に接続されている。入力側回路１６Ａ２の一端は、電力系統ＶＳのＶ相ラインに接続されており、入力側回路１６Ｎ２の一端は、中点Ｎに接続されている。また、出力側回路１８Ａ２，１８Ｂ２，・・・，１８Ｎ２は、互いに並列に接続されている。

セル１４Ａ３は、入力側回路１６Ａ３と、出力側回路１８Ａ３と、入力側回路１６Ａ３と出力側回路１８Ａ３とを磁気結合するトランスＴＡ３と、を含む、出力側回路１８Ａ３は、直流電源２０Ａ３とコンデンサＣＡ３とを含む。同様に、セル１４Ｂ３は、入力側回路１６Ｂ３と、出力側回路１８Ｂ３と、入力側回路１６Ｂ３と出力側回路１８Ｂ３とを磁気結合するトランスＴＢ３と、を含む。出力側回路１８Ｂ３は、直流電源２０Ｂ３とコンデンサＣＢ３とを含む。同様に、セル１４Ｎ３は、入力側回路１６Ｎ３と、出力側回路１８Ｎ３と、入力側回路１６Ｎ３と出力側回路１８Ｎ３とを磁気結合するトランスＴＮ３と、を含む、出力側回路１８Ｎ３は、直流電源２０Ｎ３とコンデンサＣＮ３とを含む。入力側回路１６Ａ３，１６Ｂ３，・・・，１６Ｎ３は、互いに直列に接続されている。入力側回路１６Ａ３の一端は、電力系統ＶＳのＷ相ラインに接続されており、入力側回路１６Ｎ３の一端は、中点Ｎに接続されている。また、出力側回路１８Ａ３，１８Ｂ３，・・・，１８Ｎ３は、互いに並列に接続されている。

各出力側回路に設けられたコンデンサは、電圧バランス用のコンデンサである。

また、電力変換装置１０は、各入力側回路及び各出力側回路の動作を制御する制御回路２２を含む。後述するように、各入力側回路及び各出力側回路は、複数のスイッチング素子を含んでおり、制御回路２２は、各スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。

本実施形態では、一例として、Ｕ相セル群１２Ｕ、Ｖ相セル群１２Ｖ、及び、Ｗ相セル群１２Ｗは、それぞれ３つのセルを含むものとする。以下、図２を参照して、セルについて詳しく説明する。図２には、Ｕ相セル群１２Ｕが示されている。

Ｕ相セル群１２Ｕは、セル１４Ａ１，１４Ｂ１，１４Ｃ１を含む。上述したように、セル１４Ａ１は、入力側回路１６Ａ１と出力側回路１８Ａ１とトランスＴＡ１とを含む。セル１４Ｂ１は、入力側回路１６Ｂ１と出力側回路１８Ｂ１とトランスＴＢ１と、を含む。セル１４Ｃ１は、入力側回路１６Ｃ１と出力側回路１８Ｃ１とトランスＴＣ１とを含む。

以下、セル１４Ａ１の構成について詳しく説明する。

出力側回路１８Ａ１は、複数のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ２Ａ，Ｓ３Ａ，Ｓ４Ａ）と、直流電源２０Ａ１と、コンデンサＣＡ１と、を含む。直流電源２０Ａ１のプラス端子は、トランスＴＡ１の２次側コイルＬ２の中間タップに接続されている。直流電源２０Ａ１のマイナス端子は、コンデンサＣＡ１の一方端子に接続されている。

ここで、直流電源２０Ａ１のマイナス端子とコンデンサＣＡ１の一方端子とを接続するラインを、下側ライン２４Ａ１と称することとし、コンデンサＣＡ１の他方端子に接続されているラインを、上側ライン２６Ａ１と称することとする。

出力側回路１８Ａ１は、下側ライン２４Ａ１と上側ライン２６Ａ１との間に互いに並行に配置された複数のアームを含む。図２に示す例では、一例として、２つのアーム（第１アーム及び第２アーム）が形成されている。第１アームは、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ２Ａの直列接続によって構成されている。第２アームは、スイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ４Ａの直列接続によって構成されている。第１アームにおいて、スイッチング素子Ｓ１Ａは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン２６Ａ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ２Ａは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２４Ａ１に接続されている。同様に、第２アームにおいて、スイッチング素子Ｓ３Ａは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン２６Ａ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ４Ａは、下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２４Ａ１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子である。各スイッチング素子においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。

例えば、スイッチング素子Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａのそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａは、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。スイッチング素子Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａのスイッチング動作によって、交流電力が直流電力に変換される。

トランスＴＡ１は、１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とによって構成されている。２次側コイルＬ２の一方端子は、第１アームを構成するスイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ２Ａの中間点に接続されており、２次側コイルＬ２の他方端子は、第２アームを構成するスイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ４Ａの中間点に接続されている。上記のように、２次側コイルＬ２の中間タップは、直流電源２０Ａ１のプラス端子に接続されている。

直流電源２０Ａ１は直流電力を供給する電源である。直流電源２０Ａ１として、例えば充放電可能な電源が用いられてもよい。充放電可能な電源として、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。

入力側回路１６Ａ１は、複数のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ５Ａ，Ｓ６Ａ，Ｓ７Ａ，Ｓ８Ａ）を含む。

トランスＴＡ１の１次側コイルＬ１の一方端子は下側ライン２８Ａ１に接続されており、１次側コイルＬ１の他方端子は上側ライン３０Ａ１に接続されている。

入力側回路１６Ａ１は、下側ライン２８Ａ１と上側ライン３０Ａ１との間に互いに並行に配置された複数のアームを含む。図２に示す例では、一例として、２つのアーム（第３アーム及び第４アーム）が形成されている。第３アームは、スイッチング素子Ｓ５Ａ，Ｓ６Ａの直列接続によって構成されている。第４アームは、スイッチング素子Ｓ７Ａ，Ｓ８Ａの直列接続によって構成されている。第３アームにおいて、スイッチング素子Ｓ５Ａは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン３０Ａ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ６Ａは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２８Ａ１に接続されている。同様に、第４アームにおいて、スイッチング素子Ｓ７Ａは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン３０Ａ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ８Ａは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２８Ａ１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ５Ａ〜Ｓ８Ａは、双方向スイッチング素子である。双方向スイッチング素子としては、公知の双方向スイッチング素子を用いることができる。例えば、スイッチング素子Ｓ５Ａ〜Ｓ８Ａのそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ５Ａ〜Ｓ８Ａは、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。スイッチング素子Ｓ５Ａ〜Ｓ８Ａのスイッチング動作によって、交流電力が交流電力に変換される。

以上のように、トランスＴＡ１の１次側には交流電源が接続されており、２次側には直流電源２０Ａ１が接続されている。つまり、１次側が交流側であり、２次側が直流側であるとも言える。交流の１次側から直流の２次側に電力が供給され、直流負荷に給電できる。

以下、セル１４Ｂ１の構成について詳しく説明する。セル１４Ｂ１はセル１４Ａ１と同じ構成を有している。

出力側回路１８Ｂ１は、複数のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ｂ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ｂ）と、直流電源２０Ｂ１と、コンデンサＣＢ１と、を含む。直流電源２０Ｂ１のプラス端子は、トランスＴＢ１の２次側コイルＬ２の中間タップに接続されている。直流電源２０Ｂ１のマイナス端子は、コンデンサＣＢ１の一方端子に接続されている。

ここで、直流電源２０Ｂ１のマイナス端子とコンデンサＣＢ１の一方端子とを接続するラインを、下側ライン２４Ｂ１と称することとし、コンデンサＣＢ１の他方端子に接続されているラインを、上側ライン２６Ｂ１と称することとする。

出力側回路１８Ｂ１は、下側ライン２４Ｂ１と上側ライン２６Ｂ１との間に互いに並行に配置された複数のアームを含む。図２に示す例では、一例として、２つのアーム（第１アーム及び第２アーム）が形成されている。第１アームは、スイッチング素子Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ｂの直列接続によって構成されている。第２アームは、スイッチング素子Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ｂの直列接続によって構成されている。第１アームにおいて、スイッチング素子Ｓ１Ｂは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン２６Ｂ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ２Ｂは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２４Ｂ１に接続されている。同様に、第２アームにおいて、スイッチング素子Ｓ３Ｂは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン２６Ｂ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ４Ｂは、下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２４Ｂ１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ１Ｂ〜Ｓ４Ｂは、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。各スイッチング素子においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。

例えば、スイッチング素子Ｓ１Ｂ〜Ｓ４Ｂのそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ１Ｂ〜Ｓ４Ｂは、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。スイッチング素子Ｓ１Ｂ〜Ｓ４Ｂのスイッチング動作によって、交流電力が直流電力に変換される。

トランスＴＢ１は、１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とによって構成されている。２次側コイルＬ２の一方端子は、第１アームを構成するスイッチング素子Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ｂの中間点に接続されており、２次側コイルＬ２の他方端子は、第２アームを構成するスイッチング素子Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ｂの中間点に接続されている。上記のように、２次側コイルＬ２の中間タップは、直流電源２０Ｂ１のプラス端子に接続されている。

直流電源２０Ｂ１は直流電力を供給する電源である。直流電源２０Ｂ１として、例えば充放電可能な電源が用いられてもよい。充放電可能な電源として、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。

入力側回路１６Ｂ１は、複数のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ５Ｂ，Ｓ６Ｂ，Ｓ７Ｂ，Ｓ８Ｂ）を含む。

トランスＴＢ１の１次側コイルＬ１の一方端子は下側ライン２８Ｂ１に接続されており、１次側コイルＬ１の他方端子は上側ライン３０Ｂ１に接続されている。

入力側回路１６Ｂ１は、下側ライン２８Ｂ１と上側ライン３０Ｂ１との間に互いに並行に配置された複数のアームを含む。図２に示す例では、一例として、２つのアーム（第３アーム及び第４アーム）が形成されている。第３アームは、スイッチング素子Ｓ５Ｂ，Ｓ６Ｂの直列接続によって構成されている。第４アームは、スイッチング素子Ｓ７Ｂ，Ｓ８Ｂの直列接続によって構成されている。第３アームにおいて、スイッチング素子Ｓ５Ｂは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン３０Ｂ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ６Ｂは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２８Ｂ１に接続されている。同様に、第４アームにおいて、スイッチング素子Ｓ７Ｂは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン３０Ｂ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ８Ｂは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２８Ｂ１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ５Ｂ〜Ｓ８Ｂは、双方向スイッチング素子である。双方向スイッチング素子としては、公知の双方向スイッチング素子を用いることができる。例えば、スイッチング素子Ｓ５Ｂ〜Ｓ８Ｂのそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ５Ｂ〜Ｓ８Ｂは、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。スイッチング素子Ｓ５Ｂ〜Ｓ８Ｂのスイッチング動作によって、交流電力が交流電力に変換される。

以上のように、トランスＴＢ１の１次側には交流電源が接続されており、２次側には直流電源２０Ｂ１が接続されている。つまり、１次側が交流側であり、２次側が直流側であるとも言える。交流の１次側から直流の２次側に電力が供給され、直流負荷に給電できる。

以下、セル１４Ｃ１の構成について詳しく説明する。セル１４Ｃ１はセル１４Ａ１と同じ構成を有している。

出力側回路１８Ｃ１は、複数のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ１Ｃ，Ｓ２Ｃ，Ｓ３Ｃ，Ｓ４Ｃ）と、直流電源２０Ｃ１と、コンデンサＣＣ１と、を含む。直流電源２０Ｃ１のプラス端子は、トランスＴＣ１の２次側コイルＬ２の中間タップに接続されている。直流電源２０Ｃ１のマイナス端子は、コンデンサＣＣ１の一方端子に接続されている。

ここで、直流電源２０Ｃ１のマイナス端子とコンデンサＣＣ１の一方端子とを接続するラインを、下側ライン２４Ｃ１と称することとし、コンデンサＣＣ１の他方端子に接続されているラインを、上側ライン２６Ｃ１と称することとする。

出力側回路１８Ｃ１は、下側ライン２４Ｃ１と上側ライン２６Ｃ１との間に互いに並行に配置された複数のアームを含む。図２に示す例では、一例として、２つのアーム（第１アーム及び第２アーム）が形成されている。第１アームは、スイッチング素子Ｓ１Ｃ，Ｓ２Ｃの直列接続によって構成されている。第２アームは、スイッチング素子Ｓ３Ｃ，Ｓ４Ｃの直列接続によって構成されている。第１アームにおいて、スイッチング素子Ｓ１Ｃは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン２６Ｃ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ２Ｃは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２４Ｃ１に接続されている。同様に、第２アームにおいて、スイッチング素子Ｓ３Ｃは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン２６Ｃ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ４Ｃは、下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２４Ｃ１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ１Ｃ〜Ｓ４Ｃは、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。各スイッチング素子においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。

例えば、スイッチング素子Ｓ１Ｃ〜Ｓ４Ｃのそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ１Ｃ〜Ｓ４Ｃは、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。スイッチング素子Ｓ１Ｃ〜Ｓ４Ｃのスイッチング動作によって、交流電力が直流電力に変換される。

トランスＴＣ１は、１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とによって構成されている。２次側コイルＬ２の一方端子は、第１アームを構成するスイッチング素子Ｓ１Ｃ，Ｓ２Ｃの中間点に接続されており、２次側コイルＬ２の他方端子は、第２アームを構成するスイッチング素子Ｓ３Ｃ，Ｓ４Ｃの中間点に接続されている。上記のように、２次側コイルＬ２の中間タップは、直流電源２０Ｃ１のプラス端子に接続されている。

直流電源２０Ｃ１は直流電力を供給する電源である。直流電源２０Ｃ１として、例えば充放電可能な電源が用いられてもよい。充放電可能な電源として、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。

入力側回路１６Ｂ１は、複数のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ５Ｃ，Ｓ６Ｃ，Ｓ７Ｃ，Ｓ８Ｃ）を含む。

トランスＴＣ１の１次側コイルＬ１の一方端子は下側ライン２８Ｃ１に接続されており、１次側コイルＬ１の他方端子は上側ライン３０Ｃ１に接続されている。

入力側回路１６Ｃ１は、下側ライン２８Ｃ１と上側ライン３０Ｃ１との間に互いに並行に配置された複数のアームを含む。図２に示す例では、一例として、２つのアーム（第３アーム及び第４アーム）が形成されている。第３アームは、スイッチング素子Ｓ５Ｃ，Ｓ６Ｃの直列接続によって構成されている。第４アームは、スイッチング素子Ｓ７Ｃ，Ｓ８Ｃの直列接続によって構成されている。第３アームにおいて、スイッチング素子Ｓ５Ｃは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン３０Ｃ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ６Ｃは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２８Ｃ１に接続されている。同様に、第４アームにおいて、スイッチング素子Ｓ７Ｃは上側アームに属する上側スイッチング素子であり、上側ライン３０Ｃ１に接続されている。スイッチング素子Ｓ８Ｃは下側アームに属する下側スイッチング素子であり、下側ライン２８Ｃ１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ５Ｃ〜Ｓ８Ｃは、双方向スイッチング素子である。双方向スイッチング素子としては、公知の双方向スイッチング素子を用いることができる。例えば、スイッチング素子Ｓ５Ｃ〜Ｓ８Ｃのそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ５Ｃ〜Ｓ８Ｃは、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。スイッチング素子Ｓ５Ｃ〜Ｓ８Ｃのスイッチング動作によって、交流電力が交流電力に変換される。

以上のように、トランスＴＣ１の１次側には交流電源が接続されており、２次側には直流電源２０Ｃ１が接続されている。つまり、１次側が交流側であり、２次側が直流側であるとも言える。交流の１次側から直流の２次側に電力が供給され、直流負荷に給電できる。

Ｕ相セル群１２Ｕにおいては、入力側回路１６Ａ１，１６Ｂ１，１６Ｃ１が互いに直列に接続されている。具体的には、入力側回路１６Ａ１の第３アームを構成するスイッチング素子Ｓ５Ａ，Ｓ６Ａの中間点と、電力系統ＶＳのＵ相ラインと、が接続されている。入力側回路１６Ａ１の第４アームを構成するスイッチング素子Ｓ７Ａ，Ｓ８Ａの中間点と、入力側回路１６Ｂ１の第３アームを構成するスイッチング素子Ｓ５Ｂ，Ｓ６Ｂの中間点と、が接続されている。入力側回路１６Ｂ１の第４アームを構成するスイッチング素子Ｓ７Ｂ，Ｓ８Ｂの中間点と、入力側回路１６Ｃ１の第３アームを構成するスイッチング素子Ｓ５Ｃ，Ｓ６Ｃの中間点と、が接続されている。入力側回路１６Ｃ１の第４アームを構成するスイッチング素子Ｓ７Ｃ，Ｓ８Ｃの中間点と、電力変換装置１０の中点Ｎと、が接続されている。このように、入力側回路１６Ａ１，１６Ｂ１，１６Ｃ１が直列に接続されている。また、出力側回路１８Ａ１，１８Ｂ１，１８Ｃ１は、互いに並列に接続されている。

直流電源２０Ａ１，２０Ｂ１，２０Ｃ１の電圧は、互いに同じであってもよいし、互いに異なってもよい。直流電源２０Ａ，２０Ｂ１，２０Ｃ１の電圧が互いに異なることで、セル毎に、直流電源の電圧を異ならせることができる。

Ｖ相セル群１２Ｖ及びＷ相セル群１２Ｗも、Ｕ相セル群１２Ｕと同じ構成を有している。つまり、Ｖ相セル群１２Ｖは、セル１４Ａ２，１４Ｂ２，１４Ｃ２を含む。セル１４Ａ２は、入力側回路１６Ａ２と出力側回路１８Ａ２とトランスＴＡ２とを含む。セル１４Ｂ２は、入力側回路１６Ｂ２と出力側回路１８Ｂ２とトランスＴＢ２とを含む。セル１４Ｃ２は、入力側回路１６Ｃ２と出力側回路１８Ｃ２とトランスＴＣ２とを含む。また、Ｗ相セル群１２Ｗは、セル１４Ａ３，１４Ｂ３，１４Ｃ３を含む。セル１４Ａ３は、入力側回路１６Ａ３と出力側回路１８Ａ３とトランスＴＡ３とを含む。セル１４Ｂ３は、入力側回路１６Ｂ３と出力側回路１８Ｂ３とトランスＴＢ３とを含む。セル１４Ｃ３は、入力側回路１６Ｃ３と出力側回路１８Ｃ３とトランスＴＣ３とを含む。これらの構成は、Ｕ相セル群１２Ｕに含まれる構成と同じであるため、各構成の詳細な説明は省略する。

以下、図３及び図４を参照して、電力変換装置１０の動作例の概要について説明する。図３には、電力変換装置１０の構成が示されている。図３に示されている電流経路３２は、各スイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、Ｕ相ラインとＶ相ラインとの間に形成された電流経路である。ここで、各セルに印加される電圧を以下のように定義する。
電圧ＶＡ１：Ｕ相のセル１４Ａ１に印加される電圧
電圧ＶＢ１：Ｕ相のセル１４Ｂ１に印加される電圧
電圧ＶＣ１：Ｕ相のセル１４Ｃ１に印加される電圧
電圧ＶＡ２：Ｖ相のセル１４Ａ２に印加される電圧
電圧ＶＢ２：Ｖ相のセル１４Ｂ２に印加される電圧
電圧ＶＣ２：Ｖ相のセル１４Ｃ２に印加される電圧

図４には、電流経路３２が形成されるときの電圧関係の一例が示されている。例えば、交流電源から６．６ｋＶの高圧の交流電圧が印加されているものとする。６．６ｋＶのＵＶ相ライン間電圧に対して、Ｕ相セル群１２ＵとＶ相セル群１２Ｖとに含まれる６個のセルによって電圧変換回路が構成されているため、１つのセルに印加される電圧は１．１ｋＶ（＝６．６ｋＶ／６）となる。

以上のように、セルの数を増やすことで、個々のセルに印加される電圧が減少するので、低耐圧素子の利用が可能となり、その結果、電力変換の高効率化が可能となる。例えば、１．２ｋＶ耐圧素子のオン抵抗は６５０Ｖ耐圧素子のオン抵抗よりも高い。素子耐圧を低減することでオン抵抗を低減できるので、定常損失を低減して電力変換の高効率化が可能となる。

なお、後述するように、出力側回路に設けられたコンデンサによって、各セルの電圧バランスが図られる。

以下、図５及び図６を参照して、出力側回路に含まれる各スイッチング素子の動作について詳しく説明する。図５には、各期間における各スイッチング素子のスイッチング状態が示されている。図６には、各期間の長さが示されている。以下では、各出力側回路を代表して、Ｕ相セル群１２Ｕのセル１４Ａ１に含まれる出力側回路１８Ａ１の動作について説明するが、他の出力側回路の動作も、出力側回路１８Ａ１と同様に制御される。

図５に示すように、期間ｔ１においては、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ４Ａがオンになり、スイッチング素子Ｓ２Ａ，Ｓ３Ａがオフになる。期間ｔ２においては、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ３Ａがオンになり、スイッチング素子Ｓ２Ａ，Ｓ４Ａがオフになる。期間ｔ３においては、スイッチング素子Ｓ２Ａ，Ｓ３Ａがオンになり、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ４Ａがオフになる。期間ｔ４においては、スイッチング素子Ｓ２Ａ，Ｓ４Ａがオンになり、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ３Ａがオフになる。

図６に示されているシーケンス３４，３６は、期間ｔ１〜ｔ４の長さを表わしている。期間ｔ１〜ｔ４の長さは、各スイッチング素子のオン期間とオフ期間の長さに対応しているため、シーケンス３４，３６は、各スイッチング素子のオン期間とオフ期間との比であるデューティ比を表わしていることになる。

シーケンス３４は、直流電源（出力側回路１８Ａ１の動作制御においては直流電源２０Ａ１）の電圧が低電圧のときのシーケンス、つまり、高負荷時のシーケンスである。シーケンス３６は、直流電源の電圧が高電圧のときのシーケンス、つまり、低負荷時のシーケンスである。例えば、直流電源の電圧が閾値以下の場合、その電圧は低電圧に該当し、直流電源の電圧が閾値より大きい場合、その電圧は高電圧に該当する。直流電源の電圧が低電圧の場合、直流電源の電圧が高電圧の場合と比べて、期間ｔ１，ｔ３が長くなっており、期間ｔ２，ｔ４が短くなっている。つまり、直流電源の電圧の大きさに応じて、出力側回路に含まれる各スイッチング素子のオン期間及びオフ期間の長さが変更される。

出力側回路１８Ａ１以外の出力側回路も、出力側回路１８Ａ１と同様に制御される。個々の出力側回路毎に、つまり、個々のセル毎に、期間ｔ１〜ｔ４から選択される期間を変えたり、期間ｔ１〜ｔ４の長さを変えたりすることで、個々のセル毎に、電力変換を個別的に制御することが可能となる。例えば、セル１４Ａ１に含まれる出力側回路１８Ａ１と、セル１４Ｂ１に含まれる出力側回路１８Ｂ１と、で選択される期間や期間の長さを変えることで、セル１４Ａ１，１４Ｂ１においてそれぞれ異なる電力変換を行うことが可能となる。同じ相に含まれる複数のセル間で異なる電力変換制御が行われてもよいし、互いに異なる相に含まれる複数のセル間で異なる電力変換制御が行われてもよい。

例えば、出力側回路に含まれる直流電源の電圧の大きさに応じて、当該出力側回路に含まれる各スイッチング素子のオン期間及びオフ期間（つまりデューティ比）を変えることで、各セルのコンデンサ電圧のバランスを図ることが可能となる。

以下、図７及び図８を参照して、電力変換装置１０の動作例について説明する。ここでは、各セル群を代表してＵ相セル群１２Ｕの動作について説明するが、Ｖ相セル群１２Ｖ及びＷ相セル群１２Ｗについても、Ｕ相セル群１２Ｕと同様に制御することができる。

図７には、各セルに関するシーケンスが示されている。シーケンス３８は出力側回路１８Ａ１に関するシーケンスであり、シーケンス４０は出力側回路１８Ｂ１に関するシーケンスであり、シーケンス４２は出力側回路１８Ｃ１に関するシーケンスである。期間４４においては、出力側回路１８Ａ１の各スイッチング素子は、期間ｔ２又は期間ｔ４における制御に従って動作し、出力側回路１８Ｂ１の各スイッチング素子は、期間ｔ１における制御に従って動作し、出力側回路１８Ｃ１の各スイッチング素子は、期間ｔ２又は期間ｔ４における制御に従って動作する。

図８には、図７に示されているシーケンスに従って各スイッチング素子が動作したときの電流経路が示されている。

入力側回路１６Ａ１においては、スイッチング素子Ｓ５Ａ，Ｓ８Ａがオンになっており、スイッチング素子Ｓ６Ａ，Ｓ７Ａがオフになっている。同様に、入力側回路１６Ｂ１においては、スイッチング素子Ｓ５Ｂ，Ｓ８Ｂがオンになっており、スイッチング素子Ｓ６Ｂ，Ｓ７Ｂがオフになっている。同様に、入力側回路１６Ｃ１においては、スイッチング素子Ｓ５Ｃ，Ｓ８Ｃがオンになっており、スイッチング素子Ｓ６Ｃ，Ｓ７Ｃがオフになっている。これにより、入力側回路１６Ａ１，１６Ｂ１，１６Ｃ１には、電力系統ＶＳのＵ相ラインから中点Ｎに掛けて電流経路４６が形成される。

出力側回路１８Ａ１は、期間ｔ２における制御に従って動作している。つまり、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ３Ａがオンになっており、スイッチング素子Ｓ２Ａ，Ｓ４Ａがオフになっている。これにより、出力側回路１８Ａ１には、スイッチング素子Ｓ１Ａ，Ｓ３Ａを通る電流経路４８が形成され、出力側回路１８Ａ１は、対応する入力側回路１６Ａ１にとって短絡回路として機能することになる。

出力側回路１８Ｂ１は、期間ｔ１における制御に従って動作している。つまり、スイッチング素子Ｓ１Ｂ，Ｓ４Ｂがオンになっており、スイッチング素子Ｓ２Ｂ，Ｓ３Ｂがオフになっている。これにより、出力側回路１８Ｂ１には、スイッチング素子Ｓ１Ｂ、コンデンサＣＢ１、及び、スイッチング素子Ｓ４Ｂを通る電流経路５０が形成され、入力側回路１６Ｂ１から出力側回路１８Ｂ１に電力が供給される。

出力側回路１８Ｃ１は、期間ｔ２における制御に従って動作している。つまり、スイッチング素子Ｓ１Ｃ，Ｓ３Ｃがオンになっており、スイッチング素子Ｓ２Ｃ，Ｓ４Ｃがオフになっている。これにより、出力側回路１８Ｃ１には、スイッチング素子Ｓ１Ｃ，Ｓ３Ｃを通る電流経路５２が形成され、出力側回路１８Ｃ１は、対応する入力側回路１６Ｃ１にとって短絡回路として機能することになる。

以上のように、本実施形態によれば、出力側回路内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、例えば、Ｕ相セル群１２Ｕにおいて、セル１４Ａ１，１４Ｃ１に電力を供給せずに、セル１４Ｂ１のみに電力を供給することが可能となる。Ｖ相セル群１２Ｖ及びＷ相セル群１２Ｗについても同様である。本実施形態によれば、セル毎に電力供給を制御することが可能となる。

本実施形態によれば、入力側回路にコンデンサを設けて電圧バランスを行う場合と比べて、コンデンサの低容量化が可能となり、その結果、回路の小型化が可能となる。つまり、各セルの出力側回路に設けられたコンデンサの電圧は、トランスの１次側電圧（高圧の交流電圧）に依存せずに、トランスの２次側電圧（直流電源の電圧）に依存することになるので、コンデンサの低容量化が可能となる。例えば、Ｕ相ラインと中点Ｎとの間の電圧が３．３ｋＶになる場合、トランスの電圧比（例えば、１：２．５）によって各セルの電圧が４４０Ｖ（３３００／３／電圧比）となる。一方、入力側回路には１．１ｋＶの電圧が印加される。従って、本実施形態のように出力側回路にコンデンサを設けることで、入力側回路にコンデンサを設ける場合と比べて、コンデンサの低容量化が可能となる。また、各セルの出力側回路を他の出力側回路から独立して制御することが可能であるため、各セルの直流電源の電圧の大きさ（負荷の大きさ）が互いに異なっている場合であっても、スイッチング制御によって電圧バランスを図ることができる。これにより、高圧交流電源側の力率制御が影響を受けず、力率を改善できる。

ここで、図９を参照して比較例について簡単に説明する。図９には、比較例に係る電力変換装置が示されている。比較例に係る電力変換装置は、例えば、上記の非特許文献１に記載された回路の応用例に相当する。比較例に係る電力変換装置は、Ｕ相の電力変換回路と、Ｖ相の電力変換回路と、Ｗ相の電力変換回路と、を含む。図９には、Ｕ相の電力変換回路に相当するＵ相セル群５４が示されている。Ｖ相の電力変換回路とＷ相の電力変換回路も、Ｕ相セル群５４と同じ構成を有している。以下では、各相の電力変換回路を代表して、Ｕ相セル群５４について説明する。

Ｕ相セル群５４の一端は、三相交流電源を含む電力系統のＵ相ラインに接続されており、Ｕ相セル群５４の他端は、中点Ｎに接続されている。同様に、Ｖ相の電力変換回路としてのＶ相セル群の一端は、電力系統のＶ相ラインに接続されており、Ｖ相セル群の他端は、中点Ｎに接続されている。同様に、Ｗ相の電力変換回路としてのＷ相セル群の一端は、電力系統のＷラインに接続されており、Ｗ相セル群の他端は、中点Ｎに接続されている。

Ｕ相セル群５４は、セル５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃを含む。セル５６Ａは、入力側回路５８Ａと、出力側回路６０Ａと、入力側回路５８Ａと出力側回路６０Ａとを磁気結合するトランスＴと、を含む。同様に、セル５６Ｂは、入力側回路５８Ｂと、出力側回路６０Ｂと、入力側回路５８Ｂと出力側回路６０Ｂとを磁気結合するトランスＴと、を含む。同様に、セル５６Ｃは、入力側回路５８Ｃと、出力側回路６０Ｃと、入力側回路５８Ｃと出力側回路６０Ｃとを磁気結合するトランスＴと、を含む。入力側回路５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃは、それぞれ複数のスイッチング素子と、電圧バランス用のコンデンサＣと、を含む。

比較例に係る電力変換装置においては、入力側回路５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃに含まれる各スイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、特定の出力側回路に電力を供給することができる。図９に示す例では、入力側回路５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃに電流経路６２が形成され、セル５６Ｂの出力側回路６０Ｂに電流経路６４が形成されて、出力側回路６０Ｂに電力が供給されている。この場合、出力側回路６０Ｂに対応する入力側回路５８Ｂに含まれるコンデンサＣのみならず、入力側回路５８Ａ，５８Ｃに含まれるコンデンサＣにも電圧が印加される。Ｕ相ラインと中点Ｎとの間の電圧が３．３ｋＶになる場合、セル５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃには、１．１ｋＶの電圧が印加されることになる。つまり、入力側回路５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃに含まれる各コンデンサＣに、１．１ｋＶの電圧が印加される。また、比較例においては、電圧が供給されない出力側回路６０Ａ，６０Ｃに対応する入力側回路５８Ａ，５８Ｃに含まれるコンデンサＣにも電圧が印加される。このように、比較例に係る電力変換装置では、コンデンサＣの容量は高圧側の電圧に依存するため、大容量のコンデンサＣを用いる必要がある。また、各セルにおけるコンデンサ電圧がアンバランスになるとき、入力側回路での電流制御に振動やひずみが発生することによって、力率が悪化する。

一方、本実施形態によれば、上述したように、出力側回路に電圧バランス用のコンデンサが設けられているので、コンデンサの低容量化が可能となり、また、力率を改善できる。

以下、制御回路２２について詳しく説明する。図１０には、制御回路２２の機能が示されている。制御回路２２は、大別して、Ｕ相用の電圧バランス部６８Ｕ及び相電流制御部７０Ｕと、Ｖ相用の電圧バランス部６８Ｖ及び相電流制御部７０Ｖと、Ｗ相用の電圧バランス部６８Ｗ及び相電流制御部７０Ｗと、を含む。各電圧バランス部は、各セルのコンデンサ電圧を制御し、各相電流制御部は、入力側回路における電流（高圧交流電源の電流）を制御する。電流ｉｕは、電力系統ＶＳのＵ相ラインからＵ相セル群１２Ｕの入力側回路に供給される電流である。電流ｉｖは、電力系統ＶＳのＶ相ラインからＶ相セル群１２Ｖの入力側回路に供給される電流である。電流ｉｗは、電力系統ＶＳのＷ相ラインからＷ相セル群１２Ｗの入力側回路に供給される電流である。

以下、図１１及び図１２を参照して、制御回路２２の構成について更に詳しく説明する。図１１には、Ｕ相用の電圧バランス部６８Ｕ及び相電流制御部７０Ｕの具体的な構成が示されている。図１２には、Ｕ相セル群１２Ｕが示されている。ここでは、各相を代表してＵ相の制御について説明するが、Ｖ相及びＷ相についてもＵ相と同様に制御される。

電圧ＰＩ制御部７２Ａ、電流ＰＩ制御部７４Ａ、及び、位相制御部７６Ａは、セル１４Ａ１に含まれる出力側回路１８Ａ１を構成するスイッチング素子Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａを制御する機能を備えている。電圧ＰＩ制御部７２Ｂ、電流ＰＩ制御部７４Ｂ、及び、位相制御部７６Ｂは、セル１４Ｂ１に含まれる出力側回路１８Ｂ１を構成するスイッチング素子Ｓ１Ｂ〜Ｓ４Ｂを制御する機能を備えている。電圧ＰＩ制御部７２Ｃ、電流ＰＩ制御部７４Ｃ、及び、位相制御部７６Ｃは、セル１４Ｃ１に含まれる出力側回路１８Ｃ１を構成するスイッチング素子Ｓ１Ｃ〜Ｓ４Ｃを制御する機能を備えている。

電圧Ｖｄｃ^＊は、Ｕ相セル群１２Ｕに対する電圧指令値である。図１２に示すように、電圧Ｖｄｃ１は、出力側回路１８Ａ１を構成するコンデンサＣＡ１の電圧である。電圧Ｖｄｃ２は、出力側回路１８Ｂ１を構成するコンデンサＣＢ１の電圧である。電圧Ｖｄｃ３は、出力側回路１８Ｃ１を構成するコンデンサＣＣ１の電圧である。また、電流ｉｄｃ１は、出力側回路１８Ａ１に流れる電流である。電流ｉｄｃ２は、出力側回路１８Ｂ１に流れる電流である。電流ｉｄｃ３は、出力側回路１８Ｃ１に流れる電流である。

電圧ＰＩ制御部７２Ａと電流ＰＩ制御部７４Ａによって、セル１４Ａ１に含まれるコンデンサＣＡ１の電圧Ｖｄｃ１が制御される。同様に、電圧ＰＩ制御部７２Ｂと電流ＰＩ制御部７４Ｂによって、セル１４Ｂ１に含まれるコンデンサＣＢ１の電圧Ｖｄｃ２が制御される。同様に、電圧ＰＩ制御部７２Ｃと電流ＰＩ制御部７４Ｃによって、セル１４Ｃ１に含まれるコンデンサＣＣ１の電圧Ｖｄｃ３が制御される。

また、位相制御部７６Ａによって、セル１４Ａ１に含まれるスイッチング素子Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａのオン及びオフを制御するためのゲート信号が生成される。同様に、位相制御部７６Ｂによって、セル１４Ｂ１に含まれるスイッチング素子Ｓ１Ｂ〜Ｓ４Ｂのオン及びオフを制御するためのゲート信号が生成される。同様に、位相制御部７６Ｃによって、セル１４Ｃ１に含まれるスイッチング素子Ｓ１Ｃ〜Ｓ４Ｃのオン及びオフを制御するためのゲート信号が生成される。これらのゲート信号に従って、各出力側回路を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作が制御される。

電流ＰＩ制御部７８とＥＸＮＯＲ論理部８０は、セル１４Ａ１に含まれる入力側回路１６Ａ１を構成するスイッチング素子Ｓ５Ａ〜Ｓ８Ａ、セル１４Ｂ１に含まれる入力側回路１６Ｂ１を構成するスイッチング素子Ｓ５Ｂ〜Ｓ８Ｂ、及び、セル１４Ｃ１に含まれる入力側回路１６Ｃ１を構成するスイッチング素子Ｓ５Ｃ〜Ｓ８Ｃを制御する機能を備えている。

周波数ωは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相の周波数である。電流ｉａｃは、電力系統ＶＳの各相ラインから各相の入力側回路に供給される電流である。Ｕ相についての電流ｉａｃは電流ｉｕであり、Ｖ相についての電流ｉａｃは電流ｉｕであり、Ｗ相についての電流ｉａｃは電流ｉｗである。電流ｉａｃ^＊は、各相についての電流指令値である。

電流ＰＩ制御部７８とＥＸＮＯＲ論理部８０によって、セル１４Ａ１に含まれるスイッチング素子Ｓ５Ａ〜Ｓ８Ａ、セル１４Ｂ１に含まれるスイッチング素子Ｓ５Ｂ〜Ｓ８Ｂ、及び、セル１４Ｃ１に含まれるスイッチング素子Ｓ５Ｃ〜Ｓ８Ｃのオン及びオフを制御するためのゲート信号が生成される。これらのゲート信号に従って、各入力側回路を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作が制御される。

図１２に示されている電圧Ｖａｃ１は、入力側回路１６Ａ１に印加される電圧であり、電圧Ｖａｃ２は、入力側回路１６Ｂ１に印加される電圧であり、電圧Ｖａｃ３は、入力側回路１６Ｃ１に印加される電圧である。

図１３には、Ｕ相セル群１２Ｕの動作波形の一例が示されている。高圧交流電源の電圧は「１９０５Ｖ」である（Ｖａｃ１＋Ｖａｃ２＋Ｖａｃ３＝１９０５Ｖ）。セル１４Ａ１に含まれる直流電源２０Ａ１の電圧は「３４０Ｖ」であり、セル１４Ｂ１に含まれる直流電源２０Ｂ１の電圧は「３００Ｖ」であり、セル１４Ｃ１に含まれる直流電源２０Ｃ１の電圧は「２６０Ｖ」である。このように、各セルに含まれる各直流電源の電圧が互いに異なる。このとき、各セルの出力側回路を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、各セルに含まれるコンデンサＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１の電圧を制御し、例えば「４５０Ｖ（＝Ｖｄｃ^＊）」の電圧バランスを行う。

Ｖ相セル群１２Ｖ及びＷ相セル群１２Ｗについても、Ｕ相セル群１２Ｕと同様に制御される。

以上のように、本実施形態によれば、各セルに含まれる出力側回路を構成する各スイッチング素子を制御することで、高圧交流電源から直流負荷に給電できる。また、入力側回路に電圧バランス用のコンデンサを設けたことで、コンデンサの低容量化が可能となる。また、各セルに含まれる各出力側回路を構成する各スイッチング素子のオン期間及びオフ期間を制御することで、各出力側回路に供給される電圧を制御することが可能となる。また、電圧バランスを行うことが可能となる。

１０ 電力変換装置、１２Ｕ Ｕ相セル群、１２Ｖ Ｖ相セル群、１２Ｗ Ｗ相セル群、１４Ａ１〜１４Ａ３，１４Ｂ１〜１４Ｂ３，１４Ｃ１〜１４Ｃ３ セル、１６Ａ１〜１６Ａ３，１６Ｂ１〜１６Ｂ３，１６Ｃ１〜１６Ｃ３ 入力側回路、１８Ａ１〜１８Ａ３，１８Ｂ１〜１８Ｂ３，１８Ｃ１〜１８Ｃ３ 出力側回路。

Claims (4)

1. 電力変換を行う複数のセルと、
   各セルの電力変換を制御する制御回路と、
   を含み、
   前記セルは、
   交流電力を交流電力に変換する入力側回路と、
   前記入力側回路からの交流電力を直流電力に変換する出力側回路と、
   を含み、
   前記入力側回路は、入力側から入力される交流電力を交流電力に変換し、その変換した交流電力を出力側に接続される前記出力側回路に入力し、
   複数の入力側回路の前記入力側が直列に接続されており、
   前記出力側回路は、電圧バランス用のコンデンサと直流電源とを含み、
   前記制御回路は、前記出力側回路に設けられた前記コンデンサの電圧を制御することで各セルの電圧バランスを行う回路であり、
   前記セルは、前記入力側回路と前記出力側回路とを磁気結合するトランスを更に含み、
   前記出力側回路は、複数のスイッチング素子を更に含み、
   前記コンデンサの両端は、前記複数のスイッチング素子を介して前記トランスの両端に接続されており、
   前記直流電源の一端は、前記トランスの中点に接続され、前記直流電源の他端は、前記コンデンサの一端に接続されおり、
   前記制御回路は、前記出力側回路に設けられた前記複数のスイッチング素子の動作を制御することで、電圧バランスを制御する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御回路は、前記直流電源の電圧に応じて、前記複数のスイッチング素子のオン期間及びオフ期間を変えて前記複数のスイッチング素子の動作を制御する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記セル毎に、前記直流電源の電圧が異なる、
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子の動作を制御することで、前記複数のセルの中の特定のセルに含まれる特定の出力側回路に対して、前記特定の出力側回路と対になる前記入力側回路から電力を供給し、前記特定の出力側回路以外の出力側回路を、その出力側回路と対になる前記入力側回路に対して短絡回路として機能させる、
   ことを特徴とする電力変換装置。