JPH02261062A - 直流リンクにスイッチを使用した交流―交流変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には第１の周波数および電圧の交流（Ａ
Ｃ）電力をｆ？５２の周波数および電圧の交流電力に変
換するための電力変換システムに関するものである。

発明の背景 交流−交流変換器は当業者には周知であり、さまざまの
用途で有用である。典型的な交流−交流変換器では、交
流電源電圧が整流され、その結果得られる整流された直
流（ＤＣ）電圧がインバータによって可変周波数の交流
電圧に変換される。

インバータと整流器との間では一般に直流リンクと呼ば
れる接続線を介して電力が結合される。直流リンクは、
殆んどの変換システムでは、ＬＣフィルタとして動作す
る直列接続のインダクタと分路コンデンサとを含む。こ
のようなフィルタを使うことにより、整流器およびイン
バータ回路内のスイッチに対して簡単な駆動回路を使う
ことが可能となる。しかし、低いスイッチング周波数で
動作するようにシステムが設計されている場合、このよ
うな直流リンクのインダクタがかなり大きくなる傾向が
ある。インダクタとコンデンサとを含む直流リンクのろ
波機能の他に、このようなリンクはまた双方向に電力を
流れさせ、かつ整流回路中のスイッチング動作をインバ
ータ回路中のスイッチング動作から有効に隔離すること
が出来る。

直流リンク用のこのような誘導性フィルタの主な欠点は
インダクタの寸法が大きいこと、および大きなりアクタ
ンス素子を使用することによって生ずるシステム性能の
劣化である。したがって、変換システムの整流器部分お
よびインバータ部分を有効に隔離するが、大きくかさば
る寸法のりアクタンス素子およびこのような素子に起因
する性能劣化が避けられる直流リンクを用いることが望
ましい。

発明の目的 本発明の１つの目的は直流リンクを用いるが、リンク内
のりアクタンス素子を組込む必要のない電力変換システ
ムを提供することである。

本発明のもう１つの目的は固体素子だけを組込んた、整
流器とインバータとの間の直流リンクを用いる電力変換
システムを提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は寸法の大きなリアクタン
ス素子を使うことに伴なう性能劣化なしにリアクタンス
性直流リンクと同じ利点が得られるようにした、固体デ
バイスだけで構成された直流リンクを有する電力変換回
路を提供することである。

発明の要約 本発明の上記および他の目的ならびに利点は多相整流器
と多相インバータとが直流リンクを介して相互接続され
ている、第１の周波数および電圧の多相交流電力を第２
の周波数および電圧の交流電力に変換するための電力変
換システムにより達成される。多相整流器は、多相電源
に接続するための入力端子、ならびに整流された電力を
直流リンクに供給する第１および第２の出力端子を含む
。

多相インバータは直流リンクに接続するための第１およ
び第２の入力端子、ならびに負荷に接続するための複数
の出力端子を含んでいる。インパタの入力端子と整流回
路の対応する出力端子との間にそれぞれ接続された第１
および第２の一方向電流導通素子が直流リンクに含まれ
ている。これらの一方向電流導通素子は逆極性になって
おり、このため一方の素子が第１の方向に電流を通すの
に対して、他方の素子は反対の方向に電流を通す。

第１および第２の制御可能なスイッチが整流回路のそれ
ぞれの出力端子をインバータ回路の入力端子に交差結合
するように配置され、これにより電流を通常のように一
方向電流導通素子を通して流すよりも異なるインバータ
回路端子の間に流れさせることができる。インバータ入
力端子に於ける電流の瞬時方向と入力線路電圧の極性と
の両方を監視し、整流回路の出力端子をインバータ回路
の入力端子に相互接続するようにスイッチング手段を制
御して、整流回路からの電流一方向特性を維持しながら
、インバータ回路の入力端子で電流の方向を逆転するこ
とができ且つインバータ入力電圧の単極特性を維持する
ようにする制御手段が設けられる。好ましい実施例では
、一方向電流導通素子は固体ダイオードで構成され、制
御可能なスイッチ手段は電界効果トランジスタで構成さ
れる。

電流はインバータ回路の１つの入力端子で電流モニタに
より監視される。この電流モニタは制御回路に信号を与
え、制御回路は電界効果Ｉ・ランリスタにゲート信号を
供給する。

本発明を一層よく理解できるように、以下添付の図面を
参照して詳細に説明する。

発明の詳細な説明 第１図は本発明を用いた電力変換システムの１つの形式
を示す。このシステムでは当業者には周知の型の多相（
３相）整流回路１２を用いている。

整流回路には制御可能なスイッチ５ｌ−８Ｓのマトリッ
クスが含まれており、これらのスイッチは選択的に制御
されて、整流回路の出力端子１４と１６の間に直流電圧
を発生する。図示するように、端子１４は一般に正電圧
端子であり、端子１６は負電圧端子である。

スイッチ５ｌ−５３はそれぞれ対応するダイオード整流
素子Ｄｉ−Ｄ３を介して正電圧端子１４に接続され、ス
イッチＳ４−５６はそれぞれ対応するダイオード整流素
子Ｄ４−Ｄ６を介して負電圧端子１６に接続されている
。スイッチおよび整流素子のこの配列により、スイッチ
５ｌ−Ｓ６に対する駆動制御回路またはゲート制御回路
が単純化される。というのは、たとえスイッチ・マトリ
ックスが４象限にわたって動作することができても、個
別の各スイッチは４象限モードで動作しない、すなわち
個別スイッチは交流電流を通すことと交流電圧の阻止と
の両方を行なう必要はないからである。このような多相
整流回路およびその動作を制御するための制御システム
は当業者には周知であるので、ここでは説明しない。

多相インバータ回路１８には複数のスイッチＳ７−３１
２が含まれており、スイッチＳ　７−３１２は選択的に
導電状態にゲート駆動されて、インバータ入力端子２０
および２２の整流された電圧を逆変換して出力端子２４
．２Ｂおよび２８に交流電力を発生する。最も単純な形
式では、インバータ回路１８は分路ダイオードすなわち
フライバツク（ｒｌｙｂａｃｋ）ダイオードＤ７−Ｄ１
２をそなえたスイッチＳ　７−８１２を含み、各フライ
バック・ダイオードは対応する１つのスイッチと並列に
接続される。ここで注意すべき点は、インバータ回路の
各スイッチが単極性電圧を阻止しながら交流を通すよう
に配列されているが、インバータ回路は４象限モードで
動作するように設計されていることである。この構成に
よりインバータ回路の制御モードが単純化される。この
ようなインバタ回路およびその制御回路は当業者には周
知であるので、ここではこれ以上の説明は不要である。

必要なら、たとえば、ビー・ケー・ポーズ（Ｂ、Ｋ。

Ｂｏｓｅ）著の［パワーエレクトロニクス・アンド・エ
ーシー−ドライブズ（Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ　ａｎｄＡＣＤｒｉｖｅｓ）　Ｊ　、プレンティス
ホール（Ｐｒｅｎｔｔｃｅ−Ｈａｌｌ）エングルウッド
・クリフズ、ニュージャージ、１９８６発行、１２２−
１５２頁を参照されたい。

殆んどの電力変換システムでは、整流回路１２は直列イ
ンダクタおよび分路コンデンサを有する直流リンクによ
ってインバータ回路１８に結合されている。たとえば、
米国特許節４，０８８，９３４号に説明されている電力
変換システムを参照されたい。本発明では端子１４を端
子２０に結合する第１のダイオード３０および端子２２
を端子１６に結合する第２のダイオードを含むスイッチ
ング・インターフェイス５０をかわりに用いることによ
って、このリアクタンス性直流リンクを不要としている
。端子１４から端子２０へ、また端子２２から端子１６
へ通常のように電流が流れることができるようにダイオ
ード３０と３２は逆極性になっている。スイッチング・
インターフェイス５０は更に、端子１４と２２の間に結
合されたスイッチング素子３４、および端子２０と１６
の間に結合された別のスイッチング素子３６を含む。

スイッチング素子３４および３６は電界効果トランジス
タであることが好ましく、ダイオード３０および３２は
固体デバイスであることが好ましい。

インターフェイス５０はときに従来の用語「直流リンク
」と呼ばれることがある。

一般に、整流回路のスイッチの構成では瞬時交流電圧を
発生することができるので、端子１４と１６の間の整流
回路出力電圧Ｖ２、は交流であってもよい。しかし、イ
ンバータのスイッチの構成では直流電圧の使用しか許さ
れないので、端子２０と２２の間のインバータ入力電圧
ｖ１は図示した極性の直流電圧でなけらばならない。し
たがって、インターフェイスのスイッチ３０．３２．３
４および３６は交流の整流回路出力電圧を整流して直流
のインバータ入力電圧とすることができなければならな
い。他方、図示するスイッチ構成のため、インバータ電
流１１は一般に交流でもよいが、整流回路電流ｉｒは直
流でなけらばならない。したがって、インターフェイス
のスイッチ３０，３２゜３４および３６まはた交流のイ
ンバータ電流ｉ。

を整流して直流の整流回路電流ｉ　１−とする。電力の
順方向伝達、すなわち整流回路からインバータへの電力
の伝達の間、整流回路１２およびインターフェイスすな
わち直流リンクのスイッチ３０−３６が共同動作して入
力端子４，６．８の任意の周波数の電圧Ｖｇ□、　Ｖｇ
２．　Ｖｇ３を整流して可変直流電圧Ｖ、とする。次に
電圧ｖ１はインバータ１８によって逆変換されて、たと
えば電動機４０のような負荷に対する可変の振幅および
周波数の多相電圧となる。制御回路３８は、スイッチ３
４および３６を制御するため、変流器３９を介してイン
バータ１８に於ける直流リンクの電流ｉ、を監視し、ま
た多相電圧ｖｇ□、Ｖｇ２および７ｇ３を監視する。

第２Ａ図および第２Ｂ図は２つの可能な動作モードに於
ける本発明の電力変換システムの動作を示す。整流回路
１２の入力端子４，６．８に印加される３相交流波形が
第３図に示されている。第３図のグラフは相間の相対電
圧振幅を示すものであり、たとえば入力端子４と６との
間の電圧差を示すためにたとえばｖｇ□２と表示されて
いる。説明を単純化するため、３つの線電圧間のうちで
線間電圧Ｖｇ□３が最高の大きさとなって、この電圧が
第１図の整流回路１２とインバータ回路１８との間の直
流リンクまたはインターフェイス５０を付勢するように
選択されたときの動作について、第２Ａ図および第２Ｂ
図を参照して以下説明する。

入力電圧Ｖ　か入力電圧■ｇ３より大きく、直流りンク
電流ｉ　がゼロより大きいか又はゼロに等しい状態では
、整流回路１２のスイッチＳ１およびＳ６が作動され、
ダイオード３０および３２が電流を通す。実際の電流経
路は第２Ａ図の太い実線で示されている。電流１１がゼ
ロより小さい場合には、スイッチＳ３およびＳ４が直流
リンクのスイッチ３４および３６とともに作動される。

第２Ｂ図の太い線で示すように、この特定の場合では、
負荷４０から入力端子４および８に接続された電源（図
示しない）へ逆の電流の流れが生じる。制御回路３８に
よって作動のために選択された特定のスイッチは電流ｉ
１　に対する電流経路を定め、また入力端子４をインバ
ータの端子２０に接続し、入力端子８とインバータの端
子２２に接続する。

これは上記の第２Ａ図で仮定した条件のとき、すなわち
端子４か端子８に対して正の電圧にあるということなの
で望ましい。

一般に、直流リンクすなわちインターフェイス内のどの
スイッチが電流を通すかの選択は１１　の？〕号たけに
より決められる。

ｉ・≧０であれば、ダイオード３０と３２が導電状態に
なり、ｉｌ　＜Ｏであれば、スイッチ３４および３６が
導電状態にされる。

整流回路のスイッチ５ｌ−８６のうち導電状態にするス
イッチの選択は変調方法（たとえば６ステツプ型、ＰＷ
Ｍ等）および１１の符号の両方によって左右される。変
調方法は入力和（Ｖ、□。

■ｇ２．■ｇ３）のうちのどの２つをインターフェイス
５０の入力端子１４および１６に接続しなけばならない
か（およびｖｒを短絡する場合）を決定する。２つの（
正および負の）端子１４．１６に接続すべき入力和が３
つあるので、６通りの可能性が生じる。これらの可能性
をｖ、ｖ ｇ１２　　　ｇ２１’ Ｖｇ２３　”　ｇ３２　”　ｇ３１および”ｇｌ３と呼
フコとにする。たとえば、■　　は相Ｖ　および７ｇ２
をｇｌ２　　　　　　ｇｌ 端子１４および１６にそれぞれ結合しなければならない
ということを意味する。

変調方法によってどの２つの入力和を端子１４゜１６に
接続しなければならないかが決まった後、この２つの相
に対応するスイッチ５ｌ−８６を作動しなければならな
い。インバータの入力電圧ＶＩが常に正となるように入
力線間電圧およびインバータの入力電流の極性を使って
整流回路のスイッチおよび直流リンクのスイッチが選択
される。

下表は変調方法およびインバータ電流の極性に従って整
流回路のスイッチがどのように選択されるかを示すもの
である。

したがって、相ｖｇ３および７ｇ２がそれぞれ端子１４
および１６に接続するように選択されて■ｇ３□〉０で
あり、かつｉ　≧０であれば、上記の表中のｉ　≧０と
記した行のうちのｖｇ３２〉０と記した列を見ることに
より、スイッチＳ３およびＳ５が作動されることがわか
る。

変換器の多数の変数を制御することができる。

いくつかの例を挙げると、入力力率、入力電流高調波、
直流リンク電圧、出力周波数、出力電圧振幅、出力高調
波、および電力の流れの方向である。

位相制御、６ステツプ・スイッチング、パルス幅変調（
ＰＷＭ）のような変調方法を使用することができる。６
ステツプ・スイッチングを使用した場合、スイッチング
周波数は整流回路のスイッチに対する入力（または出力
）周波数と同じであるか、またはインバータのスイッチ
に対する出力周波数と同じである。ＰＷＭ技術では、ス
イッチング周波数が入力周波数または出力周波数よりず
っと高いので、−層多くの制御自由度が得られる。

変換器全体の動作の一例として、整流回路のスイッチお
よびインバータのスイッチが６ステツプ・シーケンスに
よって制御されるスイッチング方法について考察する。

再び第３図を参照して説明すると、１組の３相人力線間
電圧ｖ　　　ｖ　　。

ｇ１２’　　ｇ２３ ｖｇ３１が１人カサイクル全体について示しである。

例として、周期が２００秒のサイクルを使用している。

負荷とエネルギーを交換する入力線間電圧の選択は位相
制御によって支配され、最高の直流リンク電圧が得られ
るように位相が選択される。

この選択がインバータの入力電流ｉｌの極性と組合わさ
れることにより、第４Ａ−４Ｆ図の共通時間軸上の電圧
パルスによって示される駆動論理が生じる。第４Ａ−４
Ｆ図の各図はそれぞれ整流回路のスイッチ５ｌ−５６の
うちの対応する図示の１個のスイッチに与えられるパル
ス群を表わす。

第４Ａ−４Ｆ図に示される各パルスは対応するスイッチ
に印加されるゲート駆動パルスを表わす。

第５Ａ、５Ｂおよび５０図は説明中のスイッチング方法
に対するインバータ電流ｉｉ、整流回路電圧ｖｌ・およ
びインバータ電圧Ｖ、の瞬時振幅をそれぞれ表わす。

インバータのスイッチＳ７−５１７に対する６ステツプ
・スイッチングが第６−８図に示されている。インバー
タのスイッチに対する駆動論理は第６Ａ−６Ｆ図の共通
時間軸上に示される電圧パルスによって示される。第６
Ａ−６Ｆ図の各図はそれぞれインバータのスイッチＳ’
ｌ−３１２のうちの対応する図示の１つのスイッチに与
えられるパルス群を表わす。負荷４０は第１図の３相交
流電動機（電力を送出していないものとする）で表わさ
れるようなＹ結線の３個のインダクタを含む。

出力の相電圧および相電流が第７図および第８図にそれ
ぞれ示されている。３相の各相が第７Ａ−７Ｃ図ならび
に第８Ａ−８Ｃ図でそれぞれ別々にして示されている。

本発明の電力変換システムの典型的な動作がそれぞれ第
５Ａ−５Ｃ図の波形１ｉ＋ＶｒおよびＶ　によって表わ
されている。時点ｔ１で、線間電圧ｖｇ□３が整流回路
の出力端子１４．１６に結合される。これは線間電圧の
大きさが第３図に示すように最高になるからである。イ
ンバータ電流ｉ　は正である。したがって、導通経路が
第２Ａ図に示されるように形成される。整流回路電圧Ｖ
ｒ　＝Ｖｇ１３＞Ｏであり、インバータ入力電圧Ｖ・　
”Ｖｇ１３であることがわかる。時点ｔ２に於いてイン
バータのスイッチング動作により、インバータ電流ｌｉ
が逆になる。すなわち、ゼロより小さくなる。この状態
が検出された後、４個の異なるスイッチＳ３．Ｓ４，３
４および３６がタンオンされて、第２Ｂ図に示される径
路が形成される。この際、Ｖｒｃ＝−ｖｇ１３でゼロよ
り小さいが、負のｖｒ雷電圧インターフェイス５０によ
ってスイッチングされることにより、インバータ電圧は
Ｖｌ＝ｖｇ１３となってゼロより大きくなる。

第１図の基本的な回路に対する上記の動作原理はすべで
のスイッチ５ｌ−８１２，３４および３６の間のタイミ
ングが完全に同期しているものと仮定している。実際に
は、インバータ電流ｉ、が符号を変えた時を検出して、
そのときに導電状態にあるスイッチの組をターンオフし
、かつ導電状態すべき次のスイッチの組をターンオンす
るために、僅かな時間が必要とされる。したがって、タ
イミングの不整合が避けられず、転流電圧スパイクが生
じ得る。したがって、転流を容易にするために第１図に
示すように転流コンデンサＣ６が設けられる。コンデン
サＣｃは短いスイッチング過渡状態の間の転流エネルギ
ーだけを吸収するので小さくてよい。システムの電圧お
よび電流の波形を改善するために、必要であれば、変換
器の入力側および出力側にフィルタを追加してもよい。

以上、好ましい実施例と考えられるものについて本発明
の説明を行なってきたが、当業者には多くの変形や変更
を行ない得ることが明らかであろ′う。したがって、本
発明の趣旨に合致するこのような変形や変更をすべて包
含するように特許請求の範囲は記載しである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を取り入れた交流電力変換システムの一
形式の簡略化された回路図である。第２Ａ図および第２
Ｂ図は実質的に第１図の一部と同じであるが、２つの別
個の動作条件のもとての整流回路とインバータ回路との
間の電流の方向を示す動作説明用回路図である。第３図
は本発明の電力変換システムの入力端子に結合された電
力に対する３相電圧波形を示す時間線図である。第４Ａ
乃至４Ｆ図は第１図のシステムの整流回路のスイッチを
制御するだめのゲート信号を示す時間線図である。第５
Ａ乃至５Ｃ図は第１図のシステムの場合のインバータ電
流、整流回路出力電圧およびインバータ入力電圧の波形
をそれぞれ示す時間線図である。第６Ａ乃至６Ｆ図は第
１図のインバータ回路に対するゲート駆動論理を示す時
間線図である。第７Ａ乃至７０図は第１図のシステムに
おける出力相電圧波形を示す時間線図である。第８Ａ乃
至８０図は第１図のシステムにおける出力相電流波形を
示す時間線図である。 ［主な符号の説明］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の周波数および電圧の多相交流電力を第２の周
   波数および電圧の交流電力に変換する装置に於いて、 多相電源に接続するための入力端子を有し、また整流さ
   れた電力を供給するための第１および第２の出力端子を
   有する多相整流回路、 整流された電力を受けるための第１および第２の入力端
   子を有し、また負荷に接続するための複数の出力端子を
   有する多相インバータ、 上記整流回路の上記第１の出力端子と上記インバータの
   上記第１の入力端子との間に接続された第１の一方向電
   流導通素子、 上記インバータの上記第２の入力端子と上記整流回路の
   上記第２の出力端子との間に接続され、上記第１の一方
   向電流導通素子に対して逆極性になっている第２の一方
   向電流導通素子、 上記整流回路の上記第１の出力端子と上記インバータの
   上記第２の入力端子との間に接続された第１の制御可能
   なスイッチ手段、 上記インバータの上記第１の入力端子と上記整流回路の
   上記第２の出力端子との間に接続された第２の制御可能
   なスイッチ手段、ならびに 上記インバータの上記第１の入力端子および上記第２の
   入力端子のうちの１つに於ける電流の瞬時極性と入力線
   電圧の瞬時極性とに応答して、上記第１および第２の制
   御可能なスイッチ手段を選択的にゲート駆動して導電状
   態および非導電状態にすることにより、上記インバータ
   の入力端子での電流方向に拘わらず上記整流回路の出力
   端子での電流が一方向となり、かつ上記インバータの入
   力端子での整流された電圧が単極性に維持されるように
   する制御回路、 を含むことを特徴とする交流一交流変換装置。 ２、上記一方向電流導通素子の各々が固体ダイオードで
   構成されている請求項１記載の交流−交流変換装置。 ３、上記制御可能なスイッチ手段の各々が、ゲート信号
   を受けるために上記制御手段に接続されたゲート端子を
   有する電界効果トランジスタで構成されている請求項１
   記載の交流−交流変換装置。 ４、入力交流電力を整流された電力に変換する整流回路
   、および整流された電力を出力交流電力に変換するイン
   バータ回路を有する電力変換システムに於いて、 上記整流回路を上記インバータ回路に結合する直流リン
   クであって、上記整流回路と上記インバータ回路との間
   に整流された電力を結合するための制御可能なスイッチ
   ング手段を有する直流リンク、ならびに 上記インバータ回路の電流の瞬時方向および入力線電圧
   の瞬時極性に応答して、上記スイッチング手段を作動す
   ることにより、上記整流回路からの一方向電流および上
   記インバータ回路の入力における単極性電圧を維持する
   制御手段、 を含むことを特徴とする電力変換システム。 ５、上記のインバータ入力電流の瞬時方向の表示を発生
   するために上記インバータ回路の入力端子に結合された
   電流モニタ、および電力変換システムの入力線電圧を検
   知する電圧モニタを含んでいる請求項４記載の電力変換
   システム。 ６、上記直流リンクが、上記整流回路および上記インバ
   ータ回路の対応する端子同士を相互接続する第１および
   第２の逆極性のダイオードを含んでいる請求項４記載の
   電力変換システム。 ７、上記スイッチング手段が上記インバータ回路および
   上記整流回路の上記の対応する端子を交差結合するよう
   に配置されている請求項６記載の電力変換システム。 ８、上記スイッチング手段が、上記整流回路の選択され
   た出力端子を上記インバータ回路の選択された入力端子
   に相互接続する、ソース端子およびドレーン端子を有す
   る第１および第２の電界効果トランジスタで構成されて
   いる請求項７記載の電力変換システム。