JP7466476B2 - Power Conversion Equipment - Google Patents

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Description

本願は、電力変換装置に関するものである。 This application relates to a power conversion device.

特許文献1に記載される従来の電力変換装置は、直流電源から三相の電圧を出力する三相3レベルインバータと各相に直列接続された複数の単相インバータとを組み合わせて三相負荷に電力供給する。この電力変換装置の制御装置は、三相3レベルインバータの各相の電圧と複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧との総和により各相の出力電圧を制御する。そして、三相交流電圧指令ベクトルに対して、その近傍の三相電圧合計がゼロとなる4つの空間電圧ベクトルを選択し、上記三相交流電圧指令ベクトルを上記4つの空間電圧ベクトルからの距離に応じて時間平均して表すことで、零相電圧を零にしつつ電流波形を正弦波化する電圧を出力する。 The conventional power conversion device described in Patent Document 1 combines a three-phase three-level inverter that outputs three-phase voltage from a DC power source with multiple single-phase inverters connected in series to each phase to supply power to a three-phase load. The control device for this power conversion device controls the output voltage of each phase by the sum of the voltage of each phase of the three-phase three-level inverter and each generated voltage by a predetermined combination selected from the multiple single-phase inverters. Then, for the three-phase AC voltage command vector, four space voltage vectors are selected that have a three-phase voltage sum of zero in the vicinity, and the three-phase AC voltage command vector is expressed as a time average according to the distance from the four space voltage vectors, thereby outputting a voltage that makes the zero-sequence voltage zero and makes the current waveform sinusoidal.

特開2007-37355号公報JP 2007-37355 A

上記特許文献1記載の電力変換装置は、各相を複数のインバータによる多段構成にし、スイッチング動作により正弦波電圧に近い電圧を出力する。しかしながら、出力電圧の正弦波化にはフィルタ回路を要し、装置構成の大型化を招く。また、フィルタ回路の小型化を図るためには、各相をさらに多段化する必要があり、部品点数の増加を招き、装置構成の小型化、簡略化は困難であった。 The power conversion device described in Patent Document 1 has a multi-stage configuration with multiple inverters for each phase, and outputs a voltage close to a sine wave voltage through switching operations. However, a filter circuit is required to make the output voltage a sine wave, which leads to an increase in the size of the device configuration. Furthermore, in order to miniaturize the filter circuit, it is necessary to make each phase even more multi-stage, which leads to an increase in the number of parts, making it difficult to miniaturize and simplify the device configuration.

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できる電力変換装置を提供することを目的とする。 This application discloses technology to solve the problems described above, and aims to provide a power conversion device that can reliably output a target voltage while promoting the miniaturization and simplification of the device configuration.

本願に開示される電力変換装置は、少なくとも1つの半導体スイッチング素子を有して、該半導体スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力と交流電力との間で電力変換するスイッチング回路と、制御電極を有する少なくとも1つの半導体素子を有し、前記スイッチング回路からの交流電力線に直列接続されて線形動作を行う線形回路とを備える。前記スイッチング回路は、それぞれエネルギ蓄積要素と少なくとも1つの半導体スイッチング素子とを有する複数のコンバータ回路の交流側を直列接続して成り、前記各コンバータ回路の出力の総和による電圧を前記交流電力線に出力する、階調制御型の電力変換回路であり、前記複数のコンバータ回路として、当該エネルギ蓄積要素の電圧が最大である1つのメインコンバータとその他のサブコンバータとを備え、前記サブコンバータは、スイッチング動作による充放電により該サブコンバータ内の前記エネルギ蓄積要素の電圧が目標電圧に制御される。前記線形回路の前記半導体素子は、前記制御電極への入力電圧あるいは入力電流に基づいて導通抵抗が調整され、前記線形回路は可変抵抗として動作し、前記線形回路は、少なくとも1つの前記半導体素子として、2つのN型半導体素子を用い、該2つのN型半導体素子を逆向きに直列接続した逆直列回路にて構成される。前記スイッチング回路および前記線形回路を制御する制御回路をさらに備え、前記スイッチング回路は、複数の前記サブコンバータを備える。前記制御回路は、複数のスイッチングパターンを切り替えて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータを制御し、前記複数のスイッチングパターン内の一部である複数の第1スイッチングパターンにおいて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータの合計出力電圧が等しくなる。前記制御回路は、前記複数の第1スイッチングパターン間でスイッチングパターンを切り替えて、前記複数のサブコンバータに流出入する電力方向を制御し、かつ前記複数の第1スイッチングパターンの時間比率を調整することにより、前記複数のサブコンバータ内の前記エネルギ蓄積要素の電圧を前記目標電圧に制御する。
また、本願に開示される電力変換装置は、少なくとも1つの半導体スイッチング素子を有して、該半導体スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力と交流電力との間で電力変換するスイッチング回路と、制御電極を有する少なくとも1つの半導体素子を有し、前記スイッチング回路からの交流電力線に直列接続されて線形動作を行う線形回路と、前記スイッチング回路および前記線形回路を制御する制御回路とを備える。前記スイッチング回路は、それぞれエネルギ蓄積要素と少なくとも1つの半導体スイッチング素子とを有する複数のコンバータ回路の交流側を直列接続して成り、前記各コンバータ回路の出力の総和による電圧を前記交流電力線に出力する、階調制御型の電力変換回路である。前記複数のコンバータ回路内の前記各エネルギ蓄積要素の電圧は、それぞれ異なる電圧であって、各電圧比は、冪指数が1ずつ増加する2の累乗、あるいは3の累乗で表され、前記スイッチング回路は、前記複数のコンバータ回路として、当該エネルギ蓄積要素の電圧が最大である1つのメインコンバータと複数のサブコンバータとを備える。前記制御回路は、複数のスイッチングパターンを切り替えて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータを制御する。前記複数のスイッチングパターン内の一部である複数の第1スイッチングパターンにおいて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータの合計出力電圧が等しくなり、前記制御回路は、前記複数の第1スイッチングパターン間でスイッチングパターンを切り替えて、前記複数のサブコンバータに流出入する電力方向を制御し、かつ前記複数の第1スイッチングパターンの時間比率を調整することにより、前記複数のサブコンバータ内の前記エネルギ蓄積要素の電圧を目標電圧に制御する。
The power conversion device disclosed in the present application includes a switching circuit having at least one semiconductor switching element and performing power conversion between DC power and AC power by switching operation of the semiconductor switching element, and a linear circuit having at least one semiconductor element having a control electrode and connected in series to an AC power line from the switching circuit to perform a linear operation. The switching circuit is a gradation-controlled power conversion circuit that is configured by connecting in series the AC sides of a plurality of converter circuits, each having an energy storage element and at least one semiconductor switching element, and outputs a voltage based on the sum of the outputs of the converter circuits to the AC power line, and includes one main converter whose energy storage element has a maximum voltage and other sub-converters as the plurality of converter circuits, and the voltage of the energy storage element in the sub-converter is controlled to a target voltage by charging and discharging through switching operation. The semiconductor element of the linear circuit has a conductive resistance adjusted based on an input voltage or an input current to the control electrode, and the linear circuit operates as a variable resistor, and the linear circuit is configured as an anti-series circuit in which two N-type semiconductor elements are used as at least one of the semiconductor elements and the two N-type semiconductor elements are connected in series in an anti-series circuit. The linear circuit further includes a control circuit for controlling the switching circuit and the linear circuit, and the switching circuit includes a plurality of the sub-converters. The control circuit controls the main converter and the plurality of sub-converters by switching between a plurality of switching patterns, and the total output voltages of the main converter and the plurality of sub-converters become equal in a plurality of first switching patterns that are part of the plurality of switching patterns. The control circuit switches the switching pattern between the plurality of first switching patterns to control the direction of power flowing in and out of the plurality of sub-converters, and controls the voltage of the energy storage element in the plurality of sub-converters to the target voltage by adjusting the time ratio of the plurality of first switching patterns.
The power conversion device disclosed in the present application includes a switching circuit having at least one semiconductor switching element and converting power between DC power and AC power by the switching operation of the semiconductor switching element, a linear circuit having at least one semiconductor element having a control electrode and connected in series to an AC power line from the switching circuit to perform a linear operation, and a control circuit for controlling the switching circuit and the linear circuit. The switching circuit is a gradation-controlled power conversion circuit that is formed by connecting in series the AC sides of a plurality of converter circuits each having an energy storage element and at least one semiconductor switching element, and outputs a voltage based on the sum of the outputs of the converter circuits to the AC power line. The voltages of the energy storage elements in the plurality of converter circuits are different from each other, and the voltage ratios are expressed as a power of 2 or a power of 3 whose exponents increase by 1 each, and the switching circuit includes, as the plurality of converter circuits, one main converter in which the voltage of the energy storage element is maximum and a plurality of sub-converters. The control circuit controls the main converter and the plurality of sub-converters by switching between a plurality of switching patterns. In a plurality of first switching patterns that are a part of the plurality of switching patterns, the total output voltages of the main converter and the plurality of sub-converters are equal, and the control circuit switches between the plurality of first switching patterns to control the direction of power flowing in and out of the plurality of sub-converters, and adjusts the time ratio of the plurality of first switching patterns to control the voltage of the energy storage element in the plurality of sub-converters to a target voltage.

本願に開示される電力変換装置は、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できる。 The power conversion device disclosed in this application can reliably output a target voltage while promoting miniaturization and simplification of the device configuration.

実施の形態1による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a power conversion device according to a first embodiment; 実施の形態1による電力変換装置の回路構成の例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power conversion device according to a first embodiment. 実施の形態1によるスイッチング回路の別例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing another example of the switching circuit according to the first embodiment. 実施の形態1によるスイッチング回路の別例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing another example of the switching circuit according to the first embodiment. 実施の形態1によるスイッチング回路の別例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing another example of the switching circuit according to the first embodiment. 実施の形態2による電力変換装置の回路構成の例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power conversion device according to a second embodiment. 実施の形態2による電力変換装置の動作を説明する各部の波形図である。11A to 11C are waveform diagrams of various parts for explaining the operation of the power conversion device according to the second embodiment. 実施の形態2による電力変換装置の制御動作を説明する図である。11 is a diagram illustrating a control operation of a power conversion device according to a second embodiment. FIG. 実施の形態3による線形回路の例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a linear circuit according to a third embodiment. 実施の形態3による線形回路の別例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing another example of a linear circuit according to the third embodiment. 実施の形態4による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of a power conversion device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による電力変換装置の回路構成の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power conversion device according to a fourth embodiment. 実施の形態5による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of a power conversion device according to a fifth embodiment. 実施の形態5による電力変換装置の回路構成の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power conversion device according to a fifth embodiment.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。ここでは、直流電力と交流電力との間で電力変換する単相の電力変換装置の例を示す。
図に示すように、電力変換装置100は、主回路1と、主回路1を制御する制御回路2とを備え、負荷3に接続される。主回路1は、スイッチング回路10と線形回路20とを備える。
Embodiment 1.
1 is a block diagram showing a schematic configuration of a power conversion device according to embodiment 1. Here, an example of a single-phase power conversion device that converts power between DC power and AC power is shown.
As shown in the figure, the power conversion device 100 includes a main circuit 1 and a control circuit 2 that controls the main circuit 1, and is connected to a load 3. The main circuit 1 includes a switching circuit 10 and a linear circuit 20.

スイッチング回路10には直流端子が内在され、直流端子に入力される直流電力をスイッチング動作により交流電力に変換して出力する。線形回路20は、スイッチング回路10からの交流電力線30に直列接続されて線形動作を行い、負荷3に交流電力を供給する。この場合、負荷3として抵抗負荷を用いるが、誘導性負荷あるいは容量性負荷が接続されてもよい。さらには負荷3の代わりに交流電源と接続されてもよい。 The switching circuit 10 has a DC terminal, and converts DC power input to the DC terminal into AC power through switching operation and outputs it. The linear circuit 20 is connected in series to the AC power line 30 from the switching circuit 10, performs linear operation, and supplies AC power to the load 3. In this case, a resistive load is used as the load 3, but an inductive load or capacitive load may also be connected. Furthermore, it may be connected to an AC power source instead of the load 3.

図2は、電力変換装置100の主回路1の回路構成の例を示す。スイッチング回路11は、正負の2レベルの電圧を出力する一般的な2レベル変換器であり、エネルギ蓄積要素、例えば、コンデンサC1、C2と、少なくとも1つの半導体スイッチング素子(以下、単にスイッチング素子と称す)Q1、Q2とを備える。この場合、スイッチング回路11は、2直列のコンデンサC1、C2と、2直列のスイッチング素子Q1、Q2とで構成される。 Figure 2 shows an example of the circuit configuration of the main circuit 1 of the power conversion device 100. The switching circuit 11 is a typical two-level converter that outputs two voltage levels, positive and negative, and includes energy storage elements, such as capacitors C1 and C2, and at least one semiconductor switching element (hereinafter simply referred to as a switching element) Q1 and Q2. In this case, the switching circuit 11 is composed of two capacitors C1 and C2 in series and two switching elements Q1 and Q2 in series.

スイッチング素子Q1、Q2は、ダイオードが逆並列接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、あるいはMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Ttransistor)などの自己消弧型スイッチング素子によって構成される。
そして、スイッチング回路11は、スイッチング素子Q1、Q2のオンおよびオフのスイッチング動作により、階段状の擬似的な正弦波電圧を交流電力線30に出力する。
The switching elements Q1 and Q2 are configured by self-extinguishing switching elements such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs) with diodes connected inversely in parallel or metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs).
The switching circuit 11 outputs a stepped pseudo-sine wave voltage to the AC power line 30 by switching on and off the switching elements Q1 and Q2.

線形回路21は、少なくとも1つの半導体素子S1、S2で構成される。各半導体素子S1、S2は、それぞれ制御電極としてゲート電極を有する、例えばMOSFET等の第1トランジスタから成り、線形領域で動作する。この場合、N型MOSFETが用いられ、線形回路21は、2つのN型MOSFETから成る半導体素子S1、S2を互いに逆向きに直列接続して構成される。 The linear circuit 21 is composed of at least one semiconductor element S1, S2. Each semiconductor element S1, S2 is composed of a first transistor such as a MOSFET having a gate electrode as a control electrode, and operates in the linear region. In this case, an N-type MOSFET is used, and the linear circuit 21 is composed of two semiconductor elements S1, S2, each of which is composed of an N-type MOSFET, connected in series in the opposite directions.

主回路1が出力する交流電圧、すなわち負荷3に印加する交流電圧Voutは、電圧センサ4にて検出され、所望電圧である電圧指令値、この場合、正弦波電圧に制御される。負荷3に印加される交流電圧Voutと、スイッチング回路11の出力電圧との差が線形回路21に印加される。線形回路21は線形領域で動作する半導体素子S1、S2で構成され、可変抵抗として動作する。 The AC voltage output by the main circuit 1, i.e., the AC voltage Vout applied to the load 3, is detected by the voltage sensor 4 and controlled to a voltage command value that is the desired voltage, in this case a sine wave voltage. The difference between the AC voltage Vout applied to the load 3 and the output voltage of the switching circuit 11 is applied to the linear circuit 21. The linear circuit 21 is composed of semiconductor elements S1 and S2 that operate in the linear region, and operates as a variable resistor.

制御回路2は、スイッチング回路11内のスイッチング素子Q1、Q2をスイッチング制御する。そして、線形回路21内の半導体素子S1、S2の制御電極、この場合、ゲート電極への入力電圧であるゲート電圧を制御して、半導体素子S1、S2の導通抵抗を調整し、交流電圧Voutが電圧指令値、即ち、正弦波電圧となるように制御する。即ち、線形回路21は、交流電圧Voutの電圧指令値と、スイッチング回路11の出力電圧との差が印加されるように、可変抵抗として動作する。 The control circuit 2 controls the switching of the switching elements Q1 and Q2 in the switching circuit 11. It also controls the gate voltage, which is the input voltage to the control electrodes of the semiconductor elements S1 and S2 in the linear circuit 21 (in this case, the gate electrodes), to adjust the conductive resistance of the semiconductor elements S1 and S2 and control the AC voltage Vout to be the voltage command value, i.e., a sine wave voltage. In other words, the linear circuit 21 operates as a variable resistor so that the difference between the voltage command value of the AC voltage Vout and the output voltage of the switching circuit 11 is applied.

線形回路21の具体的な制御について、以下に説明する。
線形回路21の出力電圧は、主回路1が出力する交流電圧Voutである。制御回路2は、電圧指令値と、電圧センサ4にて検出された交流電圧Voutとの偏差を計算し、制御器を用いて線形回路21内の半導体素子S1、S2のゲート電圧を制御する。制御器は比例制御器などを用いることができる。
例えば、検出された交流電圧Voutを、電圧指令値から差し引いた偏差が正の場合、すなわち出力電圧(交流電圧Vout)を増加させたい場合は、制御器によってゲート電圧が増加し、線形回路21の半導体素子S1、S2の抵抗値(導通抵抗)は低下する。その結果、出力電圧は電圧指令値に近づく。
A specific control of the linear circuit 21 will be described below.
The output voltage of the linear circuit 21 is the AC voltage Vout output by the main circuit 1. The control circuit 2 calculates the deviation between a voltage command value and the AC voltage Vout detected by the voltage sensor 4, and uses a controller to control the gate voltages of the semiconductor elements S1 and S2 in the linear circuit 21. The controller may be a proportional controller or the like.
For example, when the deviation obtained by subtracting the detected AC voltage Vout from the voltage command value is positive, that is, when it is desired to increase the output voltage (AC voltage Vout), the controller increases the gate voltage and decreases the resistance values (conduction resistances) of the semiconductor elements S1 and S2 of the linear circuit 21. As a result, the output voltage approaches the voltage command value.

以上のように、電力変換装置100は、線形回路21により交流電圧Voutが電圧指令値である正弦波電圧に制御されるため、主回路1の後段に、通常、設けられるフィルタ回路などの追加回路を、省略あるいは小型化できる。また、線形回路21は、主回路電圧が印加されるようなエネルギ蓄積要素が不要であるため、回路構成および制御構成を簡略に構成できる。
このため、電力変換装置100は、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できる。
As described above, in the power conversion device 100, the AC voltage Vout is controlled to a sinusoidal voltage that is a voltage command value by the linear circuit 21, so that it is possible to omit or reduce the size of additional circuits such as a filter circuit that is usually provided downstream of the main circuit 1. In addition, the linear circuit 21 does not require an energy storage element to which the main circuit voltage is applied, so that the circuit configuration and control configuration can be simplified.
Therefore, the power conversion device 100 can reliably output the target voltage while promoting miniaturization and simplification of the device configuration.

なお、線形回路21は、リニアアンプと呼ばれるエネルギ蓄積要素を有してもよい。この場合、エネルギ蓄積要素の電圧を線形回路21の外部から制御する必要があるため、線形回路21の大型化を招くものであるが、可変抵抗としての動作に加えて、エネルギ蓄積要素の電圧を追加して出力することが可能となる。本願では、リニアアンプも含めて、線形回路と称する。 The linear circuit 21 may have an energy storage element called a linear amplifier. In this case, the voltage of the energy storage element needs to be controlled from outside the linear circuit 21, which leads to an increase in size of the linear circuit 21. However, in addition to operating as a variable resistor, it becomes possible to add and output the voltage of the energy storage element. In this application, the term "linear circuit" also refers to the linear amplifier.

また上記実施の形態では、線形回路21の制御について、出力電圧(交流電圧Vout)を電圧指令値に近づくように制御するものを示したが、これに限らない。主回路1の出力端子に交流電源などが接続される場合で、出力電流を所望の出力電流である電流指令値に制御する場合は、線形回路21は以下のように制御される。
制御回路2は、電流指令値と、電流センサ(図示省略)などによって検出された出力電流との偏差を計算し、制御器を用いて線形回路21内の半導体素子S1、S2のゲート電圧を制御する。制御器は比例制御器などを用いることができる。
In the above embodiment, the linear circuit 21 is controlled so that the output voltage (AC voltage Vout) approaches the voltage command value, but the present invention is not limited to this. When an AC power supply or the like is connected to the output terminal of the main circuit 1, and the output current is controlled to a current command value that is a desired output current, the linear circuit 21 is controlled as follows.
The control circuit 2 calculates the deviation between the current command value and the output current detected by a current sensor (not shown) or the like, and uses a controller to control the gate voltages of the semiconductor elements S1 and S2 in the linear circuit 21. The controller may be a proportional controller or the like.

例えば、検出された出力電流を電流指令値から差し引いた偏差が正の場合、すなわち出力電流を増加させたい場合は、制御器によってゲート電圧が増加し、線形回路21の半導体素子S1、S2の抵抗値(導通抵抗)は低下する。その結果、出力電流は電流指令値に近づく。この場合も、出力電圧(交流電圧Vout)は結果的に目標電圧である正弦波電圧に近づく。
このため、電力変換装置100は、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できる。
For example, when the deviation obtained by subtracting the detected output current from the current command value is positive, i.e., when it is desired to increase the output current, the controller increases the gate voltage and the resistance value (conduction resistance) of the semiconductor elements S1 and S2 of the linear circuit 21 decreases. As a result, the output current approaches the current command value. In this case as well, the output voltage (AC voltage Vout) approaches the sine wave voltage, which is the target voltage.
Therefore, the power conversion device 100 can reliably output the target voltage while promoting miniaturization and simplification of the device configuration.

さらに、上記実施の形態では、線形回路21内の半導体素子S1、S2をゲート電極を有するMOSFET等の第1トランジスタとしたが、制御電極としてベース電極を有するバイポーラトランジスタである第2トランジスタを用いても良い。この場合も、線形回路21は、N型半導体素子S1、S2を互いに逆向きに直列接続して構成される。
そして、ベース電極への入力電流であるベース電流を制御して、半導体素子S1、S2の導通抵抗を調整し、線形回路21を可変抵抗として動作させる。これにより、第1トランジスタを用いた場合と同様の動作を実現することができ、同様の効果が得られる。
Furthermore, in the above embodiment, the semiconductor elements S1 and S2 in the linear circuit 21 are first transistors such as MOSFETs having a gate electrode, but a second transistor that is a bipolar transistor having a base electrode as a control electrode may be used. In this case as well, the linear circuit 21 is configured by connecting the N-type semiconductor elements S1 and S2 in series in the opposite directions to each other.
Then, the base current, which is the input current to the base electrode, is controlled to adjust the conductive resistance of the semiconductor elements S1 and S2, and the linear circuit 21 is operated as a variable resistor. This makes it possible to realize the same operation as in the case where the first transistor is used, and to obtain the same effect.

また、スイッチング回路10の回路構成として、図2で示したスイッチング回路11以外にも様々な回路方式があり、同様に適用できる。
図3A、図3B、図3Cは、それぞれ、実施の形態1によるスイッチング回路の別例を示す図である。これらは、正負および0の3レベルの電圧が出力可能な3レベル変換器である。特に、図3Aは、Tタイプの3レベル変換器であるスイッチング回路12、図3Bは、ダイオードクランプ形の3レベル変換器であるスイッチング回路13、図3Cは、フライングキャパシタ形の3レベル変換器であるスイッチング回路14を示す。
Furthermore, there are various circuit configurations for the switching circuit 10 other than the switching circuit 11 shown in FIG. 2, and these can be similarly applied.
3A, 3B, and 3C are diagrams showing other examples of the switching circuit according to the first embodiment. These are three-level converters capable of outputting three-level voltages, positive, negative, and 0. In particular, FIG. 3A shows switching circuit 12 which is a T-type three-level converter, FIG. 3B shows switching circuit 13 which is a diode-clamped three-level converter, and FIG. 3C shows switching circuit 14 which is a flying capacitor-type three-level converter.

図3Aに示すように、スイッチング回路12は、2直列のコンデンサC1、C2と、2直列のスイッチング素子Q1、Q2とを備え、さらに、逆向きに直列接続された2つのスイッチング素子Q3、Q4を備える。スイッチング素子Q3、Q4は、2直列のコンデンサC1、C2の中点と、2直列のスイッチング素子Q1、Q2の中点との間に接続される。なお、スイッチング素子Q3、Q4は、スイッチング素子Q1、Q2と同様の自己消弧型スイッチング素子によって構成される。 As shown in FIG. 3A, the switching circuit 12 includes two series-connected capacitors C1 and C2, two series-connected switching elements Q1 and Q2, and two switching elements Q3 and Q4 connected in series in the opposite directions. The switching elements Q3 and Q4 are connected between the midpoint of the two series-connected capacitors C1 and C2 and the midpoint of the two series-connected switching elements Q1 and Q2. The switching elements Q3 and Q4 are configured as self-extinguishing switching elements similar to the switching elements Q1 and Q2.

図3Bに示すように、スイッチング回路13は、2直列のコンデンサC1、C2と、4直列のスイッチング素子Q11、Q12、Q21、Q22と、2直列のダイオードD1、D2とを備える。上アームを構成するスイッチング素子Q11、Q12の中点と、下アームを構成するスイッチング素子Q21、Q22の中点との間に、ダイオードD1、D2が接続され、2直列のダイオードD1、D2の中点は、2直列のコンデンサC1、C2の中点に接続される。 As shown in FIG. 3B, the switching circuit 13 includes two series-connected capacitors C1 and C2, four series-connected switching elements Q11, Q12, Q21, and Q22, and two series-connected diodes D1 and D2. The diodes D1 and D2 are connected between the midpoint of the switching elements Q11 and Q12 constituting the upper arm and the midpoint of the switching elements Q21 and Q22 constituting the lower arm, and the midpoint of the two series-connected diodes D1 and D2 is connected to the midpoint of the two series-connected capacitors C1 and C2.

図3Cに示すように、スイッチング回路14は、2直列のコンデンサC1、C2と、4直列のスイッチング素子Q11、Q12、Q21、Q22と、エネルギ蓄積要素であるコンデンサC3とを備える。上アームを構成するスイッチング素子Q11、Q12の中点と、下アームを構成するスイッチング素子Q21、Q22の中点との間に、コンデンサC3が接続される。 As shown in FIG. 3C, the switching circuit 14 includes two capacitors C1 and C2 connected in series, four switching elements Q11, Q12, Q21, and Q22 connected in series, and a capacitor C3 that is an energy storage element. Capacitor C3 is connected between the midpoint of the switching elements Q11 and Q12 that constitute the upper arm and the midpoint of the switching elements Q21 and Q22 that constitute the lower arm.

上述したように、線形回路21は、負荷3に印加される交流電圧Voutの電圧指令値と、スイッチング回路10の出力電圧との差が印加されるように、可変抵抗として動作する。スイッチング回路10の出力電圧のレベル数を多くすると、スイッチング回路10の出力電圧である階段状の電圧を、交流電圧Voutの電圧指令値により近づけることができる。このため、線形回路21に印加される電圧を小さくでき、損失を低減化できる。 As described above, the linear circuit 21 operates as a variable resistor so that the difference between the voltage command value of the AC voltage Vout applied to the load 3 and the output voltage of the switching circuit 10 is applied. By increasing the number of levels of the output voltage of the switching circuit 10, the stepped voltage that is the output voltage of the switching circuit 10 can be made to approach the voltage command value of the AC voltage Vout more closely. This allows the voltage applied to the linear circuit 21 to be reduced, thereby reducing losses.

なお、線形回路21は抵抗のような動作を行うため、出力電流に対して電圧降下が同じ方向になるようにする必要がある。すなわち、交流電流の極性が正の時、スイッチング回路10が出力する電圧は、電圧指令値よりも大きな電圧となり、交流電流の極性が負の時、スイッチング回路10が出力する電圧は、電圧指令値よりも小さな電圧となるように制御される。 In addition, since the linear circuit 21 behaves like a resistor, it is necessary to ensure that the voltage drop is in the same direction as the output current. In other words, when the polarity of the AC current is positive, the voltage output by the switching circuit 10 is controlled to be greater than the voltage command value, and when the polarity of the AC current is negative, the voltage output by the switching circuit 10 is controlled to be smaller than the voltage command value.

また、上述したTタイプ、ダイオードクランプ形およびフライングキャパシタ形のスイッチング回路10は、5レベルまたは7レベル等、さらにレベル数を増やしたマルチレベルの電圧を出力する回路構成にすることもできる。これらは公知技術で可能であるため、詳細な説明は省略する。このように多数のマルチレベルの電圧を出力するスイッチング回路10を用いると、線形回路21に印加される電圧をさらに小さくでき、損失をさらに低減化できる。 The above-mentioned T-type, diode clamp type and flying capacitor type switching circuits 10 can also be configured to output multi-level voltages with an even greater number of levels, such as five or seven levels. These are possible with known technology, so a detailed description will be omitted. By using a switching circuit 10 that outputs a large number of multi-level voltages in this way, the voltage applied to the linear circuit 21 can be further reduced, and losses can be further reduced.

実施の形態2.
上記実施の形態1では、電力変換装置100の主回路1内のスイッチング回路10を1つのコンバータ回路で構成したが、この実施の形態2では複数のコンバータ回路で構成する。
図4は、実施の形態2による電力変換装置の回路構成の例を示す図である。
図に示すように、主回路1は、スイッチング回路16と線形回路21とが直列接続されて構成される。スイッチング回路16は、階調制御型の電力変換回路であり、複数(N個)のコンバータ回路15(15A、15B2~15BN)の交流側を直列接続して構成される。線形回路21は、上記実施の形態1と同様の回路である。
Embodiment 2.
In the above-mentioned first embodiment, the switching circuit 10 in the main circuit 1 of the power conversion device 100 is configured with one converter circuit, but in this second embodiment, it is configured with a plurality of converter circuits.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power conversion device according to the second embodiment.
As shown in the figure, the main circuit 1 is configured by connecting in series a switching circuit 16 and a linear circuit 21. The switching circuit 16 is a gradation control type power conversion circuit, and is configured by connecting in series the AC sides of multiple (N) converter circuits 15 (15A, 15B2 to 15BN). The linear circuit 21 is the same circuit as in the first embodiment.

各コンバータ回路15は、それぞれエネルギ蓄積要素、例えばコンデンサV(V1~VN)と少なくとも1つの半導体スイッチング素子Qとを有する。そして、スイッチング回路16は、スイッチング動作により直流電力と交流電力との間で電力変換し、各コンバータ回路15の交流出力の総和による電圧を交流電力線30に出力する。
N個のコンバータ回路15(15A、15B2~15BN)は、上記実施の形態1で示した2レベルあるいは3レベルの電圧を出力する1つのメインコンバータ15Aと、単相フルブリッジ回路で構成される(N-1)個のサブコンバータ15B2~15BNとで構成される。
Each converter circuit 15 has an energy storage element, for example, a capacitor V (V1 to VN) and at least one semiconductor switching element Q. The switching circuit 16 converts power between DC power and AC power by switching operation, and outputs a voltage based on the sum of the AC outputs of the converter circuits 15 to the AC power line 30.
The N converter circuits 15 (15A, 15B2 to 15BN) are composed of one main converter 15A that outputs two-level or three-level voltages as shown in the above embodiment 1, and (N-1) sub-converters 15B2 to 15BN that are composed of single-phase full-bridge circuits.

スイッチング回路16は、N個のコンバータ回路15の出力和によって交流電圧を出力するため、多数レベルの出力が可能である。上記実施の形態1と比較して、使用する素子数あるいはコンデンサの数を抑制して多数レベルの電圧を出力でき、装置構成の小型化、簡略化に好適である。
また、スイッチング回路16は、容易に多数レベルの出力電圧を出力でき、出力電圧である階段状の電圧を、交流電圧Voutの電圧指令値により近づけることができる。このため、線形回路21に印加される電圧を小さくでき、損失を低減化できる。
The switching circuit 16 is capable of outputting multiple levels of AC voltage by summing the outputs of the N converter circuits 15. Compared to the first embodiment, the number of elements or capacitors used is reduced to output multiple levels of voltage, which is suitable for miniaturizing and simplifying the device configuration.
In addition, the switching circuit 16 can easily output a multi-level output voltage, and can make the stepped voltage, which is the output voltage, closer to the voltage command value of the AC voltage Vout. This allows the voltage applied to the linear circuit 21 to be reduced, and loss to be reduced.

各コンバータ回路15のコンデンサV1~VNの電圧を便宜上、V1~VNと記載する。
例えば、メインコンバータ15Aのコンデンサ電圧V1を1とするとき、サブコンバータ15B2~15BNの各コンデンサ電圧V2~VNを、1/2、1/4、1/8・・・(1/2^N)とする。即ち、各コンデンサ電圧を昇順(VN~V1)にした電圧比は、冪指数が1ずつ増加する2の累乗の比で表される。
このように設定することで、スイッチング回路16の出力電圧のレベル数を効果的に増加させることができ、(2^(N+1)-1)で計算されるレベル数を出力可能である。
For convenience, the voltages of the capacitors V1 to VN of each converter circuit 15 are denoted as V1 to VN.
For example, when the capacitor voltage V1 of the main converter 15A is 1, the capacitor voltages V2 to VN of the sub-converters 15B2 to 15BN are 1/2, 1/4, 1/8, ... (1/2^N). In other words, the voltage ratio of the capacitor voltages in ascending order (VN to V1) is expressed as a power of 2 ratio with the exponent increasing by 1.
By setting in this way, the number of levels of the output voltage of the switching circuit 16 can be effectively increased, and the number of levels calculated by (2^(N+1)-1) can be output.

別の例として、メインコンバータ15Aのコンデンサ電圧V1を1とするとき、サブコンバータ15B2~15BNの各コンデンサ電圧V2~VNを、1/3、1/9、1/27・・・(1/3^N)とする。即ち、各コンデンサ電圧を昇順(VN~V1)にした電圧比は、冪指数が1ずつ増加する3の累乗の比で表される。
このように設定することで、スイッチング回路16の出力電圧のレベル数を効果的に増加させることができ、(3^N)で計算されるレベル数を出力可能である。
As another example, when the capacitor voltage V1 of the main converter 15A is 1, the capacitor voltages V2 to VN of the sub-converters 15B2 to 15BN are 1/3, 1/9, 1/27, ... (1/3^N). In other words, the voltage ratio of the capacitor voltages in ascending order (VN to V1) is expressed as a power of 3 ratio with the exponent increasing by 1.
By setting in this way, the number of levels of the output voltage of the switching circuit 16 can be effectively increased, and the number of levels calculated by (3^N) can be output.

次に、N=3の場合、即ち、メインコンバータ15Aと2台のサブコンバータである第1、第2サブコンバータ15B2、15B3とから成るスイッチング回路16を例として、その動作について以下に説明する。
図5は、電力変換装置の動作を説明する各部の波形図である。また、図6は、電力変換装置の制御動作を説明する図である。
Next, the operation of the switching circuit 16 when N=3, that is, the switching circuit 16 is composed of the main converter 15A and two sub-converters, that is, the first and second sub-converters 15B2 and 15B3, will be described as an example.
Fig. 5 is a waveform diagram of each part for explaining the operation of the power conversion device, and Fig. 6 is a diagram for explaining the control operation of the power conversion device.

図5には、主回路1から負荷3へ出力される交流電圧Vout、メインコンバータ15Aの出力電圧VM、第1サブコンバータ15B2の出力電圧VA、第2サブコンバータ15B3の出力電圧VB、および線形回路21の両端電圧、即ち、線形回路21に印加される電圧VXにおける各波形が示される。
スイッチング回路16の出力電圧は、メインコンバータ15Aの出力電圧VMと、第1サブコンバータ15B2の出力電圧VAと、第2サブコンバータ15B3の出力電圧VBとを加算した合計出力電圧である。そして、負荷3へ出力される交流電圧Voutとスイッチング回路16の出力電圧との差分電圧が、線形回路21に印加される電圧VXとなる。
FIG. 5 shows waveforms of the AC voltage Vout output from the main circuit 1 to the load 3, the output voltage VM of the main converter 15A, the output voltage VA of the first sub-converter 15B2, the output voltage VB of the second sub-converter 15B3, and the voltage across the linear circuit 21, i.e., the voltage VX applied to the linear circuit 21.
The output voltage of the switching circuit 16 is a total output voltage obtained by adding together the output voltage VM of the main converter 15A, the output voltage VA of the first sub-converter 15B2, and the output voltage VB of the second sub-converter 15B3. The difference voltage between the AC voltage Vout output to the load 3 and the output voltage of the switching circuit 16 becomes the voltage VX applied to the linear circuit 21.

また、図6に示すように、メインコンバータ15Aおよび第1、第2サブコンバータ15B2、15B3のコンデンサ電圧V1、V2、V3の電圧比は4:2:1とする。第2サブコンバータ15B3のコンデンサ電圧V3の値を1puとして、図5の電圧波形の電圧単位も同じ[pu]を用いている。即ち、出力電圧VMの振幅は4pu、出力電圧VAの振幅は2pu、出力電圧VBの振幅は1puである。 As shown in FIG. 6, the voltage ratio of the capacitor voltages V1, V2, and V3 of the main converter 15A and the first and second sub-converters 15B2 and 15B3 is 4:2:1. The value of the capacitor voltage V3 of the second sub-converter 15B3 is 1 pu, and the voltage waveforms in FIG. 5 also use the same voltage units [pu]. That is, the amplitude of the output voltage VM is 4 pu, the amplitude of the output voltage VA is 2 pu, and the amplitude of the output voltage VB is 1 pu.

3台のコンバータ回路15A、15B2、15B3はそれぞれ正負および0の3レベルの出力電圧を出力し、それらの組み合わせによる27(=3×3)種のスイッチングパターンSwP1~SwP27を用いたスイッチング動作が可能になる。
スイッチング回路16の出力は、これらの合計出力電圧であり、-7pu~+7puまで1pu刻みのいずれかの電圧となる。
The three converter circuits 15A, 15B2, 15B3 each output three-level output voltages, positive, negative, and 0, and by combining these, switching operations can be performed using 27 (=3×3) types of switching patterns SwP1 to SwP27.
The output of the switching circuit 16 is the sum of these output voltages, and can be any voltage between -7 pu and +7 pu in increments of 1 pu.

図6に示すように、1つの合計出力電圧に対して複数のスイッチングパターンSwPが存在する場合がある。例えば、+1puの電圧を出力するには、スイッチングパターンSwP9、SwP12、SwP13のいずれかを用いる。
第1サブコンバータ15B2に着目すると、スイッチングパターンSwP9では、-2puの負電圧を出力するのに対し、スイッチングパターンSwP12では、+2puの正電圧を出力する。すなわち、電流が同じ方向であれば、第1サブコンバータ15B2に流出入する電力の方向を、スイッチングパターンSwPを切り替えることによって制御することができる。すなわち、スイッチングパターンSwPを切り替えることで、第1サブコンバータ15B2内のコンデンサ電圧V2を制御できる。
6, there may be a plurality of switching patterns SwP for one total output voltage. For example, to output a voltage of +1 pu, one of the switching patterns SwP9, SwP12, and SwP13 is used.
Focusing on the first sub-converter 15B2, a negative voltage of -2 pu is output in switching pattern SwP9, whereas a positive voltage of +2 pu is output in switching pattern SwP12. In other words, if the current flows in the same direction, the direction of power flowing in and out of the first sub-converter 15B2 can be controlled by switching the switching pattern SwP. In other words, the capacitor voltage V2 in the first sub-converter 15B2 can be controlled by switching the switching pattern SwP.

第2サブコンバータ15B3内のコンデンサ電圧V3についても同様に制御できる。すなわち、スイッチングパターンSwPの時間比率を調整することで、スイッチング動作による充放電により第1、第2サブコンバータ15B2、15B3内のコンデンサ電圧V2、V3が目標電圧に制御される。
これにより、スイッチング回路16の出力制御の信頼性が向上し、また、スイッチング素子QおよびコンデンサVの過電圧による故障を防止することができる。
さらに、第1、第2サブコンバータ15B2、15B3では、スイッチング回路16の出力動作の際のスイッチング動作による充放電でコンデンサ電圧V2、V3が制御されるため、外部からの電力供給が不要で回路構成を簡略化できる。
The capacitor voltage V3 in the second sub-converter 15B3 can be controlled in a similar manner. That is, by adjusting the time ratio of the switching pattern SwP, the capacitor voltages V2, V3 in the first and second sub-converters 15B2, 15B3 are controlled to target voltages by charging and discharging through switching operations.
This improves the reliability of the output control of the switching circuit 16, and also makes it possible to prevent failures of the switching element Q and the capacitor V due to overvoltage.
Furthermore, in the first and second sub-converters 15B2, 15B3, the capacitor voltages V2, V3 are controlled by charging and discharging through the switching operation during the output operation of the switching circuit 16, so that no external power supply is required and the circuit configuration can be simplified.

実施の形態3.
上記実施の形態1では、線形回路20として、N型半導体素子S1、S2を互いに逆向きに直列接続して構成される線形回路21を示したが、この実施の形態では、他の回路構成を示す。
図7A、図7Bは、実施の形態3による線形回路の例を示す図である。
Embodiment 3.
In the above-mentioned first embodiment, the linear circuit 20 is constituted by the linear circuit 21 formed by connecting the N-type semiconductor elements S1 and S2 in series in the opposite directions, but in this embodiment, another circuit configuration is shown.
7A and 7B are diagrams illustrating an example of a linear circuit according to the third embodiment.

図7Aに示す線形回路22は、N型半導体素子S3とP型半導体素子S4との並列回路で構成される。N型半導体素子S3およびP型半導体素子S4は、制御電極としてベース電極を有するバイポーラトランジスタである。そして、ベース電極への入力電流であるベース電流を制御して、半導体素子S3、S4の導通抵抗を調整し、線形回路22を可変抵抗として動作させる。
N型半導体素子S3とP型半導体素子S4との並列回路を用いたため、N型半導体素子S3とP型半導体素子S4とで制御信号を共有でき、制御回路2の簡素化を図ることができる。
The linear circuit 22 shown in Fig. 7A is composed of a parallel circuit of an N-type semiconductor element S3 and a P-type semiconductor element S4. The N-type semiconductor element S3 and the P-type semiconductor element S4 are bipolar transistors having a base electrode as a control electrode. The base current, which is an input current to the base electrode, is controlled to adjust the conductive resistance of the semiconductor elements S3 and S4, and the linear circuit 22 operates as a variable resistor.
Since a parallel circuit of the N-type semiconductor element S3 and the P-type semiconductor element S4 is used, a control signal can be shared between the N-type semiconductor element S3 and the P-type semiconductor element S4, and the control circuit 2 can be simplified.

図7Bに示す線形回路23は、制御電極としてゲート電圧を有するMOSFETから成るN型半導体素子S5とP型半導体素子S6とが用いられる。そして、N型半導体素子S5およびダイオードD3の第1直列回路と、P型半導体素子S6およびダイオードD4の第2直列回路と、を並列接続した並列回路にて構成される。そして、ゲート電極への入力電圧であるゲート電圧を制御して、半導体素子S5、S6の導通抵抗を調整し、線形回路23を可変抵抗として動作させる。 The linear circuit 23 shown in FIG. 7B uses an N-type semiconductor element S5 and a P-type semiconductor element S6, which are MOSFETs having a gate voltage as a control electrode. It is configured as a parallel circuit in which a first series circuit of the N-type semiconductor element S5 and a diode D3 is connected in parallel with a second series circuit of the P-type semiconductor element S6 and a diode D4. The gate voltage, which is the input voltage to the gate electrode, is controlled to adjust the conductive resistance of the semiconductor elements S5 and S6, and the linear circuit 23 operates as a variable resistor.

この場合も、N型半導体素子S3とP型半導体素子S4とで、制御信号を共有でき、制御回路2の簡素化を図ることができる。
また、N型半導体素子S5およびP型半導体素子S6は、MOSFETから成るため、寄生ダイオードが内在して逆方向の電流を阻止できないが、それぞれダイオードD3、D4を直列接続して逆方向電流を防止する。これにより、線形回路23は、信頼性良く線形動作できる。
In this case as well, the control signal can be shared between the N-type semiconductor element S3 and the P-type semiconductor element S4, and the control circuit 2 can be simplified.
In addition, since the N-type semiconductor element S5 and the P-type semiconductor element S6 are made of MOSFETs, they have internal parasitic diodes and cannot block reverse current, but the reverse current is prevented by connecting diodes D3 and D4 in series, respectively, allowing the linear circuit 23 to operate linearly with high reliability.

この実施の形態3においても、線形回路22、23は、上記実施の形態1と同様に動作し、電力変換装置100は、上記実施の形態1と同様に、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できる。 In this third embodiment, the linear circuits 22 and 23 operate in the same manner as in the first embodiment, and the power conversion device 100 can reliably output the target voltage while promoting miniaturization and simplification of the device configuration, as in the first embodiment.

実施の形態4.
上記実施の形態1、2では、中性点あるいは接地点を基準とした単相の電力変換装置100を示したが、実施の形態4では線間を基準とした単相の電力変換装置100を示す。
図8は、実施の形態4による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。
電力変換装置100は、主回路1Aと、主回路1Aを制御する制御回路2とを備え、負荷3Aに接続される。なお、便宜上、制御回路2の図示は省略する。
Embodiment 4.
In the above-mentioned first and second embodiments, a single-phase power conversion device 100 with a neutral point or a ground point as a reference has been shown, but in the fourth embodiment, a single-phase power conversion device 100 with a line-to-line reference will be shown.
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a power conversion device according to the fourth embodiment.
The power conversion device 100 includes a main circuit 1A and a control circuit 2 that controls the main circuit 1A, and is connected to a load 3A. For convenience, the control circuit 2 is not shown in the figure.

図に示すように、主回路1Aは、スイッチング回路10Aと2つの線形回路20Aとを備える。スイッチング回路10Aには直流端子が内在され、直流端子に入力される直流電力をスイッチング動作により交流電力に変換して出力する。スイッチング回路10Aからは2つの交流電力線30Aが引き出され、各交流電力線30Aは、それぞれに直列接続された線形回路20Aを介して、負荷3Aに接続される。 As shown in the figure, the main circuit 1A includes a switching circuit 10A and two linear circuits 20A. The switching circuit 10A has a DC terminal, and converts DC power input to the DC terminal into AC power through switching operation and outputs it. Two AC power lines 30A are drawn from the switching circuit 10A, and each AC power line 30A is connected to a load 3A via a linear circuit 20A connected in series with the switching circuit 10A.

各線形回路20Aは、スイッチング回路10Aからの各交流電力線30Aに直列接続されて線形動作を行い、負荷3Aに交流電力を供給する。負荷3Aには線間電圧が印加される。
この場合、負荷3Aとして抵抗負荷を用いるが、誘導性負荷あるいは容量性負荷が接続されてもよい。さらには負荷3Aの代わりに交流電源と接続されてもよい。
Each linear circuit 20A is connected in series to each AC power line 30A extending from the switching circuit 10A to perform a linear operation and supply AC power to the load 3A. A line voltage is applied to the load 3A.
In this case, a resistive load is used as the load 3A, but an inductive load or a capacitive load may be connected. Furthermore, instead of the load 3A, an AC power source may be connected.

図9は、主回路1Aの回路構成の例を示す。各線形回路20Aには、上記実施の形態1で示した線形回路21を用いる。
スイッチング回路10Aは、上記実施の形態2の図4で示した階調制御型の電力変換器によるスイッチング回路16を線間タイプに変成したものである。2つの交流電力線30Aに対し、それぞれN個のコンバータ回路である、1つのメインコンバータ15AAと、(N-1)個のサブコンバータ15B2~15BNとを備える。この場合、メインコンバータ15AAは、2つの交流電力線30Aで共通の1回路で構成し、2つの交流端子に、それぞれ(N-1)個のサブコンバータ15B2~15BNが直列接続される。
9 shows an example of the circuit configuration of the main circuit 1 A. The linear circuit 21 shown in the above-mentioned first embodiment is used for each linear circuit 20 A.
The switching circuit 10A is a line-to-line type modification of the switching circuit 16 using the gradation control type power converter shown in Fig. 4 of the second embodiment. For each of the two AC power lines 30A, N converter circuits are provided, namely, one main converter 15AA and (N-1) sub-converters 15B2 to 15BN. In this case, the main converter 15AA is configured as one circuit common to the two AC power lines 30A, and the (N-1) sub-converters 15B2 to 15BN are connected in series to each of the two AC terminals.

この実施の形態4では、上記実施の形態1と同様に、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できると共に、負荷3Aへの交流電圧を線間電圧で生成するため、大きな電圧を出力することができる。 In this embodiment 4, as in the above embodiment 1, the target voltage can be reliably output while promoting miniaturization and simplification of the device configuration, and since the AC voltage to the load 3A is generated by the line voltage, a large voltage can be output.

実施の形態5.
上記各実施の形態では、単相の電力変換装置100を示したが、実施の形態5では三相の電力変換装置100を示す。
図10は、実施の形態5による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。
電力変換装置100は、主回路1Bと、主回路1Bを制御する制御回路2とを備え、三相の負荷3Bに接続される。なお、便宜上、制御回路2の図示は省略する。
Embodiment 5.
In each of the above embodiments, a single-phase power conversion device 100 is shown, but in the fifth embodiment, a three-phase power conversion device 100 is shown.
FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of a power conversion device according to the fifth embodiment.
The power conversion device 100 includes a main circuit 1B and a control circuit 2 that controls the main circuit 1B, and is connected to a three-phase load 3B. For convenience, the control circuit 2 is not shown in the figure.

図に示すように、主回路1Bは、スイッチング回路10Bと3つの線形回路20Bとを備える。スイッチング回路10Bには直流端子が内在され、直流端子に入力される直流電力をスイッチング動作により三相交流電力に変換して出力する。スイッチング回路10Bの各相の交流電力線30Bは、それぞれに直列接続された線形回路20Bを介して、負荷3Bに接続される。 As shown in the figure, the main circuit 1B includes a switching circuit 10B and three linear circuits 20B. The switching circuit 10B has an internal DC terminal, and converts the DC power input to the DC terminal into three-phase AC power by switching operation and outputs it. The AC power lines 30B of each phase of the switching circuit 10B are connected to the load 3B via the linear circuits 20B connected in series to each of them.

各線形回路20Bは、スイッチング回路10Bからの各交流電力線30Bに直列接続されて線形動作を行い、負荷3Bに交流電力を供給する。負荷3Bには三相交流電圧が印加される。
この場合、負荷3Bとして抵抗負荷を用いるが、誘導性負荷あるいは容量性負荷が接続されてもよい。さらには負荷3Bの代わりに交流電源と接続されてもよい。
Each linear circuit 20B is connected in series to each AC power line 30B extending from the switching circuit 10B to perform a linear operation and supply AC power to the load 3B. A three-phase AC voltage is applied to the load 3B.
In this case, a resistive load is used as the load 3B, but an inductive load or a capacitive load may be connected. Furthermore, an AC power source may be connected instead of the load 3B.

図11は、主回路1Aの回路構成の例を示す。各線形回路20Bには、上記実施の形態1で示した線形回路21を用いる。
スイッチング回路10Bは、上記実施の形態2の図4で示した階調制御型の電力変換器によるスイッチング回路16を三相構成に変成したものである。各相の交流電力線30Bに対し、それぞれN個のコンバータ回路である、1つのメインコンバータ15ABと、(N-1)個のサブコンバータ15B2~15BNとを備える。この場合、メインコンバータ15ABは、三相で共通の1回路で構成し、3つの交流端子に、それぞれ(N-1)個のサブコンバータ15B2~15BNが直列接続される。
11 shows an example of the circuit configuration of the main circuit 1A. The linear circuit 21 shown in the first embodiment is used for each linear circuit 20B.
The switching circuit 10B is obtained by transforming the switching circuit 16 using the gradation control type power converter shown in FIG. 4 of the second embodiment into a three-phase configuration. For each phase of the AC power line 30B, N converter circuits are provided, namely, one main converter 15AB and (N-1) sub-converters 15B2 to 15BN. In this case, the main converter 15AB is configured as one circuit common to the three phases, and the (N-1) sub-converters 15B2 to 15BN are connected in series to each of the three AC terminals.

この実施の形態5においても、上記実施の形態1と同様に、装置構成の小型化、簡略化を促進しつつ目標電圧を信頼性良く出力できる。また、電力変換装置100は、三相の交流電力を出力するため、単相の場合に比べて、大きな電力を取り扱うことができる。また、三相の電力系統に接続することもできる。 In this fifth embodiment, as in the first embodiment, the target voltage can be reliably output while promoting miniaturization and simplification of the device configuration. Furthermore, since the power conversion device 100 outputs three-phase AC power, it can handle larger power than in the case of a single phase. It can also be connected to a three-phase power system.

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to application to a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, countless modifications not illustrated are conceivable within the scope of the technology disclosed in the present application, including, for example, modifying, adding, or omitting at least one component, and further, extracting at least one component and combining it with a component of another embodiment.

10,10A,10B,11~14,16 スイッチング回路、
15 コンバータ回路、15A,15AA,15AB メインコンバータ、
15B2~15BN サブコンバータ、20,20A,20B,21~23 線形回路、
30,30A,30B 交流電力線、100 電力変換装置、D3,D4 ダイオード、
Q,Q1~Q4,Q11,Q12,Q21,Q22 スイッチング素子、
S1~S6 半導体素子、C1,C2,V1~VN コンデンサ。
10, 10A, 10B, 11 to 14, 16 Switching circuit,
15 Converter circuit, 15A, 15AA, 15AB Main converter,
15B2 to 15BN: sub-converters; 20, 20A, 20B, 21 to 23: linear circuits;
30, 30A, 30B AC power line, 100 Power conversion device, D3, D4 Diode,
Q, Q1 to Q4, Q11, Q12, Q21, Q22 switching elements,
S1 to S6 are semiconductor elements, C1, C2, and V1 to VN are capacitors.

Claims (7)

少なくとも1つの半導体スイッチング素子を有して、該半導体スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力と交流電力との間で電力変換するスイッチング回路と、
制御電極を有する少なくとも1つの半導体素子を有し、前記スイッチング回路からの交流電力線に直列接続されて線形動作を行う線形回路とを備え、
前記スイッチング回路は、それぞれエネルギ蓄積要素と少なくとも1つの半導体スイッチング素子とを有する複数のコンバータ回路の交流側を直列接続して成り、前記各コンバータ回路の出力の総和による電圧を前記交流電力線に出力する、階調制御型の電力変換回路であり、前記複数のコンバータ回路として、当該エネルギ蓄積要素の電圧が最大である1つのメインコンバータとその他のサブコンバータとを備え、前記サブコンバータは、スイッチング動作による充放電により該サブコンバータ内の前記エネルギ蓄積要素の電圧が目標電圧に制御され、
前記線形回路の前記半導体素子は、前記制御電極への入力電圧あるいは入力電流に基づいて導通抵抗が調整され、前記線形回路は可変抵抗として動作し、
前記線形回路は、少なくとも1つの前記半導体素子として、2つのN型半導体素子を用い、該2つのN型半導体素子を逆向きに直列接続した逆直列回路にて構成され、
前記スイッチング回路および前記線形回路を制御する制御回路をさらに備え、
前記スイッチング回路は、複数の前記サブコンバータを備え、
前記制御回路は、複数のスイッチングパターンを切り替えて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータを制御し、
前記複数のスイッチングパターン内の一部である複数の第1スイッチングパターンにおいて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータの合計出力電圧が等しくなり、
前記制御回路は、前記複数の第1スイッチングパターン間でスイッチングパターンを切り替えて、前記複数のサブコンバータに流出入する電力方向を制御し、かつ前記複数の第1スイッチングパターンの時間比率を調整することにより、前記複数のサブコンバータ内の前記エネルギ蓄積要素の電圧を前記目標電圧に制御する、
電力変換装置。
a switching circuit having at least one semiconductor switching element and converting power between DC power and AC power by a switching operation of the semiconductor switching element;
a linear circuit having at least one semiconductor element having a control electrode, the linear circuit being connected in series with an AC power line extending from the switching circuit to perform a linear operation;
the switching circuit is a gradation-controlled power conversion circuit that is configured by connecting in series the AC sides of a plurality of converter circuits, each having an energy storage element and at least one semiconductor switching element, and outputs a voltage corresponding to the sum of the outputs of the converter circuits to the AC power line, the plurality of converter circuits include one main converter in which the voltage of the energy storage element is maximum, and other sub-converters, the sub-converters control the voltage of the energy storage element in the sub-converter to a target voltage by charging and discharging through switching operations,
a conductive resistance of the semiconductor element of the linear circuit is adjusted based on an input voltage or an input current to the control electrode, and the linear circuit operates as a variable resistor;
The linear circuit is configured as an anti-series circuit in which two N-type semiconductor elements are used as the at least one semiconductor element and the two N-type semiconductor elements are connected in series in an anti-series manner ;
a control circuit for controlling the switching circuit and the linear circuit;
The switching circuit includes a plurality of the sub-converters.
the control circuit switches between a plurality of switching patterns to control the main converter and the plurality of sub-converters;
In a plurality of first switching patterns which are a part of the plurality of switching patterns, the total output voltages of the main converter and the plurality of sub-converters are equal to each other,
the control circuit switches between the plurality of first switching patterns to control a direction of power flowing into and out of the plurality of sub-converters, and adjusts a time ratio of the plurality of first switching patterns to control a voltage of the energy storage element in the plurality of sub-converters to the target voltage.
Power conversion equipment.
前記スイッチング回路は、前記交流電力線にマルチレベルの電圧を出力可能とする、
請求項1に記載の電力変換装置。
The switching circuit is capable of outputting a multilevel voltage to the AC power line.
The power conversion device according to claim 1 .
前記複数のコンバータ回路内の前記各エネルギ蓄積要素の電圧は、それぞれ異なる電圧であって、各電圧比は、冪指数が1ずつ増加する2の累乗、あるいは3の累乗で表される、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
The voltages of the energy storage elements in the plurality of converter circuits are different from each other, and each voltage ratio is expressed as a power of 2 or a power of 3 with the exponent increasing by 1.
The power conversion device according to claim 1 or 2 .
前記線形回路の前記半導体素子は、前記制御電極としてゲート電極を備えて前記入力電圧としてのゲート電圧により制御される第1トランジスタである、あるいは、前記制御電極としてベース電極を備えて前記入力電流としてのベース電流により制御される第2トランジスタである、
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の電力変換装置。
The semiconductor element of the linear circuit is a first transistor having a gate electrode as the control electrode and controlled by a gate voltage as the input voltage, or a second transistor having a base electrode as the control electrode and controlled by a base current as the input current.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3 .
前記線形回路は、前記スイッチング回路および前記線形回路を含む該電力変換装置に対する交流電圧指令値と、前記スイッチング回路が前記交流電力線に出力する電圧との差が印加されるように、前記可変抵抗として動作する、
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の電力変換装置。
The linear circuit operates as the variable resistor so that a difference between an AC voltage command value for the power conversion device including the switching circuit and the linear circuit and a voltage output by the switching circuit to the AC power line is applied.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 4 .
前記スイッチング回路から前記交流電力線に流れる交流電流の極性が正の時、前記スイッチング回路が出力する電圧は前記交流電圧指令値よりも大きく、前記交流電流の極性が負の時、前記スイッチング回路が出力する電圧は前記交流電圧指令値よりも小さくなる、
請求項に記載の電力変換装置。
When the polarity of the AC current flowing from the switching circuit to the AC power line is positive, the voltage output by the switching circuit is greater than the AC voltage command value, and when the polarity of the AC current is negative, the voltage output by the switching circuit is smaller than the AC voltage command value.
The power conversion device according to claim 5 .
少なくとも1つの半導体スイッチング素子を有して、該半導体スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力と交流電力との間で電力変換するスイッチング回路と、
制御電極を有する少なくとも1つの半導体素子を有し、前記スイッチング回路からの交流電力線に
直列接続されて線形動作を行う線形回路と、
前記スイッチング回路および前記線形回路を制御する制御回路とを備え、
前記スイッチング回路は、それぞれエネルギ蓄積要素と少なくとも1つの半導体スイッチング素子とを有する複数のコンバータ回路の交流側を直列接続して成り、前記各コンバータ回路の出力の総和による電圧を前記交流電力線に出力する、階調制御型の電力変換回路であり、
前記複数のコンバータ回路内の前記各エネルギ蓄積要素の電圧は、それぞれ異なる電圧であって、各電圧比は、冪指数が1ずつ増加する2の累乗、あるいは3の累乗で表され、
前記スイッチング回路は、前記複数のコンバータ回路として、当該エネルギ蓄積要素の電圧が最大である1つのメインコンバータと複数のサブコンバータとを備え、
前記制御回路は、複数のスイッチングパターンを切り替えて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータを制御し、
前記複数のスイッチングパターン内の一部である複数の第1スイッチングパターンにおいて、前記メインコンバータおよび前記複数のサブコンバータの合計出力電圧が等しくなり、
前記制御回路は、前記複数の第1スイッチングパターン間でスイッチングパターンを切り替えて、前記複数のサブコンバータに流出入する電力方向を制御し、かつ前記複数の第1スイッチングパターンの時間比率を調整することにより、前記複数のサブコンバータ内の前記エネルギ蓄積要素の電圧を目標電圧に制御する、
電力変換装置。
a switching circuit having at least one semiconductor switching element and converting power between DC power and AC power by a switching operation of the semiconductor switching element;
a linear circuit having at least one semiconductor element having a control electrode, the linear circuit being connected in series with an AC power line extending from the switching circuit to perform a linear operation;
a control circuit for controlling the switching circuit and the linear circuit;
the switching circuit is a gradation-controlled power conversion circuit that is configured by connecting in series AC sides of a plurality of converter circuits, each of which has an energy storage element and at least one semiconductor switching element, and outputs a voltage corresponding to the sum of the outputs of the converter circuits to the AC power line;
The voltages of the energy storage elements in the plurality of converter circuits are different from each other, and each voltage ratio is expressed as a power of 2 or a power of 3 with the exponent increasing by 1;
The switching circuit includes, as the plurality of converter circuits, one main converter in which a voltage of the energy storage element is maximum, and a plurality of sub-converters;
the control circuit switches between a plurality of switching patterns to control the main converter and the plurality of sub-converters;
In a plurality of first switching patterns which are a part of the plurality of switching patterns, the total output voltages of the main converter and the plurality of sub-converters are equal to each other,
the control circuit switches between the plurality of first switching patterns to control the direction of power flowing into and out of the plurality of sub-converters, and adjusts a time ratio of the plurality of first switching patterns to control a voltage of the energy storage element in the plurality of sub-converters to a target voltage.
Power conversion equipment.
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