TWI505620B - 矩陣轉換器 - Google Patents

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Yaskawa Denki Seisakusho Kk
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Description

矩陣轉換器
本文所討論之具體實施例係關於一矩陣轉換器。
矩陣轉換器可抑制諧波電流且可有效地使用再生的電力，因此受到注意作為一新的功率轉換器。矩陣轉換器例如包括連接一AC電源之個別相位及一負載之個別相位的複數個雙向開關，並藉由控制這些雙向開關並直接地切換AC電源的每一相位電壓而輸出任意的電壓及頻率至負載。
矩陣轉換器對雙向開關執行PWM控制並控制其傳導率，使得負載側電壓一般係低於AC電源側電壓。然而，近年來，提出了一矩陣轉換器，其具有造成負載側電壓高於AC電源側電壓的一升壓功能。
舉例來說，在國際公開號WO2006/112275中所描述之矩陣轉換器包括在一AC電源之個別相位上的反應器、雙向開關、及與連接至一負載之輸出之個別相位連接的電容器。在藉由控制雙向開關而使反應器之雙向開關側端之間短路後，矩陣轉換器連接二或多個反應器至電容器。因此，造成負載側電壓高於AC電源側電壓的一升壓功能係實現於矩陣轉換器中。
在矩陣轉換器中，需要容易地執行雙向開關的控制。
具體實施例之一態樣的一目的為提供能夠容易地實施 雙向開關之控制的矩陣轉換器，不論是否存在一升壓功能。
根據一具體實施例之一矩陣轉換器包含一功率轉換單元及一控制單元。功率轉換單元包括連接一AC電源之每一相位及一負載之每一相位的複數個雙向開關。控制單元產生負載側相間(phase-to-phase)電壓中之一最高相間電壓，其係藉由控制連接相關於該最高相間電壓之相位以及相關於AC電源側相間電壓中之一最高相間電壓之相位的雙向開關。此外，控制單元產生負載側相間電壓中之一中間相間電壓，其係藉由控制連接相關於中間相間電壓之相位以及相關於AC電源側相間電壓中之一中間相間電壓之相位的雙向開關。
根據一具體實施例的一態樣，在可提供能夠簡單地執行雙向開關的控制之矩陣轉換器中可獲得效果。
在下文中，將基於圖式詳細描述根據具體實施例之矩陣轉換器。本發明並不限於此具體實施例。
[矩陣轉換器的組態]
首先，將參考圖1解釋根據具體實施例之矩陣轉換器的組態。圖1為描述根據具體實施例之矩陣轉換器1之組 態的圖式。如圖1所示，根據具體實施例之矩陣轉換器1係設置於AC電源2及負載3之間。
矩陣轉換器1可執行在AC電源2及負載3之間的雙向功率轉換，此外可執行AC電源2及負載3之間的升壓(boosting)及降壓(bucking)。在矩陣轉換器1中，功率轉換的方向係例如基於來自設定工具4的設定而決定。就負載3而言，AC產生器或AC馬達可為負載3的其中一範例。在下文中，AC電源2側係描述為一輸入側，而負載3側係描述為一輸出側。
如圖1所示，矩陣轉換器1包括功率轉換單元10、輸入側反應器群組11、輸入側電容器群組12、輸入側開關13、輸出側反應器群組14、輸出側電容器群組15、輸出側開關16、及控制單元20。
功率轉換單元10包括複數個雙向開關Sru、Ssu、Stu、Srv、Ssv、Stv、Srw、Ssw、及Stw(下文中，在某些情況中將統稱作雙向開關S)，其連接AC電源2之個別相位及負載3之個別相位。雙向開關Sru、Ssu、及Stu分別連接AC電源2之R-相位、S-相位、及T-相位至負載3的U-相位。雙向開關Srv、Ssv、及Stv分別連接AC電源2之R-相位、S-相位、及T-相位至負載3的V-相位。雙向開關Srw、Ssw、及Stw分別連接AC電源2之R-相位、S-相位、及T-相位至負載3的W-相位。
雙向開關S例如可包含兩個單向開關元件的反平行連接。半導體開關(例如絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)) 為開關元件的一範例。每一半導體開關係藉由輸入一信號至半導體開關之閘極而開啟/關閉，藉此控制電流的方向。
輸入側反應器群組11包括第一反應器L1r、L1s、及L1t(下文中，在某些情況中將統稱作第一反應器L1)。第一反應器L1r係設置以連接於AC電源2之R-相位與雙向開關Sru、Srv、及Srw之間。第一反應器L1s係設置以連接於AC電源2之S-相位與雙向開關Ssu、Ssv、及Ssw之間。第一反應器L1t係設置以連接於AC電源2之T-相位與雙向開關Stu、Stv、及Stw之間。
輸入側電容器群組12包括第一電容器C1r、C1s、及C1t(下文中，在某些情況中將統稱作第一電容器C1)。第一電容器C1r係設置以連接於第一反應器L1r與輸入側開關13之間。第一電容器C1s係設置以連接於第一反應器L1s與輸入側開關13之間。第一電容器C1t係設置以連接於第一反應器L1t與輸入側開關13之間。
輸入側開關13為將第一電容器C1r、C1s、及C1t(其一端係連接至雙向開關S)的另一端彼此連接之開關。亦即，當輸入側開關13為開啟，第一電容器C1r、C1s、及C1t的另一端係彼此連接，而當輸入側開關13為關閉，第一電容器C1r、C1s、及C1t的另一端之每一者為開路。
輸出側反應器群組14包括第二反應器L2u、L2v、及L2w(下文中，在某些情況中將統稱作第二反應器L2)。 第二反應器L2u係設置以連接於負載3之U-相位與雙向開關Sru、Ssu、及Stu之間。第二反應器L2v係設置以連接於負載3之V-相位與雙向開關Srv、Ssv、及Stv之間。第二反應器L2w係設置以連接於負載3之W-相位與雙向開關Srw、Ssw、及Stw之間。
輸出側電容器群組15包括第二電容器C2u、C2v、及C2w(下文中，在某些情況中將統稱作第二電容器C2)。第二電容器C2u係設置以連接於第二反應器L2u與輸出側開關16之間。第二電容器C2v係設置以連接於第二反應器L2v與輸出側開關16之間。第二電容器C2w係設置以連接於第二反應器L2w與輸出側開關16之間。
輸出側開關16為將第二電容器C2u、C2v、及C2w(其一端係連接至雙向開關S)的另一端彼此連接之開關。亦即，當輸出側開關16為開啟，第二電容器C2u、C2v、及C2w的另一端係彼此連接，而當輸出側開關16為關閉，第二電容器C2u、C2v、及C2w的另一端之每一者為開路。
[矩陣轉換器1的操作模式]
接著，將解釋矩陣轉換器1的操作模式。矩陣轉換器1具有四種操作模式，即A-模式、B-模式、C-模式、及D-模式，如以下表格1所示。
矩陣轉換器1針對每一操作模式切換輸入側開關13及輸出側開關16的狀態。特別地，控制單元20根據依照以下表格2所執行的操作模式，執行輸入側開關13及輸出側開關16的開啟/關閉控制。
[矩陣轉換器1的升壓操作]
接著，將解釋矩陣轉換器1的升壓操作。升壓操作係執行於表格2所示的B-模式及D-模式。在此具體實施例中，以B-模式中的操作為範例，以解釋升壓操作。在下文中，在首先解釋基本升壓操作後，將解釋特定的升壓操作，以便於理解。
在B-模式中，由控制器單元20設定輸入側開關13為關閉且設定輸出側開關16為開啟。因此，在B-模式中， 矩陣轉換器1將等效於圖2所示的電路。圖2為在B-模式中之電路組態的說明圖式。在B-模式中，輸入側開關13係設定為關閉，以避免產生不必要的短路電流。
在設定輸入側開關13及輸出側開關16後，控制單元20將第一反應器L1之雙向開關S側端彼此連接。舉例來說，控制單元20開啟雙向開關Sru及Ssu。因此，第一反應器L1r及L1s的雙向開關S側端係經由雙向開關Sru及Ssu而彼此連接。因此，AC電源2的R-相位及S-相位經由第一反應器L1r及L1s而短路，使得短路電流流動，且磁能係累積於第一反應器L1r及L1s中。在此具體實施例中，在升壓操作過程中，雙向雙側開關Stu係由控制單元20保持於開啟狀態。
接著，控制單元20釋放累積在第一反應器L1中的磁能至第二電容器C2作為電能。舉例來說，當藉由開啟雙向開關Sru及Ssu而累積磁能於第一反應器L1r及L1s中，控制單元20關閉雙向開關Ssu及Sru並開啟雙向開關Ssv及Srw。因此，累積於第一反應器L1r及L1s中的磁能係分別釋放至第二電容器C2v及C2w作為電能。因此，由升壓截波器的原理，在V-相位及W-相位之間的相間電壓的絕對值變得大於在R-相位及S-相位之間的相間電壓的絕對值，藉此而執行升壓。
在此方式中，在B-模式的升壓操作中，由於累積在第一反應器L1中的磁能係累積於第二電容器C2作為電能，雙向開關S係受到控制以建立從第一反應器L1至第二電 容器C2的電流路徑。
在D-模式的升壓操作也由類似於B-模式的控制而執行。特別地，控制單元20執行從輸出側至輸入側之功率轉換的升壓操作，其藉由將累積於第二反應器L2中的磁能累積於第一電容器C1作為電能。
圖3所示的控制係作為對矩陣轉換器1之升壓操作的簡單理解。圖3為描述雙向開關S在B-模式(其為升壓操作)中之控制範例的圖式。在圖3所示的控制中，最高輸出相間電壓(在下文中係描述為最高輸出相間電壓Vohigh)以及中間輸出相間電壓(在下文中係描述為中間輸出相間電壓Vomid)係由具有圖3所示強度關係之R-相位、S-相位、及T-相位之三個輸入相位電壓Vr、Vs、及Vt所產生。
圖3所示的區段L可劃分為區La至區Li的9個期間，如圖4所示。圖4為圖3所示區段L之放大圖。在區La至區Li之在開啟狀態的雙向開關S與電流路徑之間的關係顯示於以下的表格3中。輸出相間電壓Vuw為最高輸出相間電壓Vohigh且輸出相間電壓Vvw為中間輸出相間電壓Vomid。
在表格3所示的區Lc及Lg中，如圖5所示，從S-相位至T-相位的電流係劃分為流經雙向開關Ssu及第二電容器C2u的第一路徑以及流經雙向開關Ssv及第二電容器C2v的第二路徑。圖5為描述電流在區Lc及Lg流動之路徑的圖式。
此外，在表格3所示的區Le中，從R-相位至T-相位的電流係劃分為流經雙向開關Sru及第二電容器C2u的第一路徑以及流經雙向開關Srv及第二電容器C2v的第二路徑。
在劃分成第一路徑及第二路徑的情況中，操作不會變成基本升壓截波器(其不會假設電流劃分)的操作。因此，無法執行基於決定升壓比例之基本升壓截波器之基本規則的升壓控制，因而執行一補償程序，其使控制方法變得複雜。此外，舉例來說，在A-模式的降壓操作中，最高 輸出相間電壓Vohigh及中間輸出相間電壓Vomid係由三個輸入相位所產生，使得雙向開關S的控制變得複雜。
因此，在A-模式及B-模式中，根據具體實施例的矩陣轉換器1由兩個輸入相位產生最高輸出相間電壓Vohigh及中間輸出相間電壓Vomid。再者，在C-模式及D-模式中，矩陣轉換器1由兩個輸出相位以類似方式產生最高輸入相間電壓(在下文中係描述為最高輸入相間電壓Vihigh)及中間輸入相間電壓(在下文中係描述為中間輸入相間電壓Vimid)。因此，在矩陣轉換器1中，可解決上述的電流劃分狀態，且雙向開關S的控制將變得簡單。
由控制單元20在升壓操作中執行之雙向開關S的控制將參考圖式特別地解釋於下。圖6及圖7為描述輸入相位之電壓及輸入區段之間關係的圖式，且圖8為描述藉由圖1所示控制單元20之雙向開關S之控制的範例的圖式。B-模式及D-模式為類似的操作，除了輸入及輸出的關係相反，因此本文係解釋B-模式中的操作作為範例。
在A-模式及B-模式中，如圖6所示，區段係劃分為輸入區段E0至E11，其為絕對值的強度關係在R-相位、S-相位、及T-相位之三個輸入相位電壓之間未改變的期間，亦即採最大絕對值的相位、採中間絕對值的相位、及採最小絕對值的相位未改變。控制單元20包括一表格，由其選擇將描述於後之對應輸入電壓之相位θa的任何輸入區段E0至E11。接著，控制單元20偵測輸入電壓的相位θa，並基於輸入電壓的相位θa而判斷輸入相位電壓Vr、 Vs、及Vt的狀態屬於輸入區段E0至E11中之哪個輸入區段。
此外，如圖7所示，區段可基於藉由加入預定相位差θb至輸入電壓的相位θa所獲得之一相位而劃分為輸入區段E0'至E11'。輸入區段E0'至E11'為絕對值的強度關係在電壓Vr'、Vs'及Vt'沒有改變的時段，其中電壓Vr'、Vs'及Vt'相對輸入相位電壓Vr、Vs及Vt具有相位差θb。
輸入功率因數可藉由將一區段劃分為輸入區段E0'至E11'而調整。舉例來說，輸入功率因數可藉由設定相位差θb為-90°而設定為零。在此情況中，控制單元20包括一表格，由其選擇對應輸入電壓之相位θa的任何輸入區段E0'至E11'。接著，控制單元20偵測輸入電壓的相位θa，並藉由基於由加入相位差θb至輸入電壓的相位θa所獲得之一相位而參考一表格，判斷電壓Vr'、Vs'、及Vt'的狀態屬於輸入區段E0'至E11'中之哪個輸入區段。
亦即，控制單元20可基於藉由加入預定相位差θb至輸入電壓的相位θa所獲得之一相位而選擇最高輸入相間電壓Vihigh及中間輸入相間電壓Vimid。再者，控制單元20可基於藉由加入預定相位差θb至輸入電壓Vr、Vs及Vt的相位θa所獲得之一相位而判斷輸入相位電壓Vr、Vs及Vt間的強度關係及中間相位電壓之極性。
在此方式中，控制單元20基於輸入電壓的相位θa判斷電壓的狀態屬於輸入區段E0至E11或輸入區段E0'至E11'中的哪一區段。在下文中，針對控制單元20判斷來 自輸入區段E0至E11之輸入區段的情況作出解釋，然而，控制也在控制單元20判斷來自區段E0'至E11'之輸入區段的情況中以類似方式執行。
在判斷輸入區段後，控制單元20開啟雙向開關S，其連接最高輸入相間電壓Vihigh輸入的相位至輸出最高輸出相間電壓Vohigh的相位。舉例來說，考慮一情況：輸入區段為圖6所示的輸入區段E1且U-相位及W-相位間之相間電壓為最高輸出相間電壓Vohigh。在輸入區段E1中，最高輸入相間電壓Vihigh輸入的相位為R-相位及T-相位。因此，如圖8所示，控制單元20開啟執行U-相位及R-相位之間連接的雙向開關Sru，並開啟執行W-相位及T-相位之間連接的雙向開關Stw。
此外，控制單元20開啟雙向開關S，其連接中間輸入相間電壓Vimid輸入之相位至輸出中間輸出相間電壓Vomid的相位。舉例來說，考慮以下情況：輸入區段為圖6所示之輸入區段E1，且V-相位及W-相位之間的相間電壓為中間輸出相間電壓Vomid。在輸入區段E1中，中間輸入相間電壓Vimid輸入之相位為S-相位及T-相位。因此，如圖8所示，控制單元20開啟執行V-相位及S-相位之間連接的雙向開關Ssv，並開啟執行W-相位及T-相位之間連接的雙向開關Stw。
圖9為圖8所示區段T11的放大圖。如圖9所示，圖8所示的一脈衝循環可劃分為5個區，即區a至區e。圖8所示的範例係描述T1>T2的情況。取決於輸入及輸出的關 係，關係可變成T1<T2，然而只有輸出最高輸出相間電壓Vohigh及中間輸出相間電壓Vomid的期間變得不同，且以下將解釋T1>T2的情況，以便於理解。
在B-模式中，所要開啟之雙向開關S與電流路徑之間的關係顯示於表格4之區a至區e中。輸出相間電壓Vuw為最高輸出相間電壓Vohigh，而輸出相間電壓Vvw為中間輸出相間電壓Vomid。
如表格4所示，電流從第一反應器L1流至第二電容器C2，而無被劃分至任何區a至e。特別地，在累積磁能於區a至e之第一反應器L1r及L1s中後，磁能係從第一反應器L1r釋放至第二電容器C2u作為在區b及d中的電能。此外，在區c中，磁能係從第一反應器L1r釋放至第二電容器C2u作為電能，且磁能係從第一反應器L1s釋放至第二電容器C2v作為電能。
此外，相較於圖4所示之區La至Li中之切換控制，在圖9所示之區a至e中之矩陣轉換器1的切換控制可顯 著地降低在一脈衝循環中所執行之雙向開關S的控制次數。因此，可執行雙向開關S的簡單控制。
在此方式中，根據具體實施例的矩陣轉換器1藉由在B-模式(其為一升壓操作)之一輸入相間電壓而產生最高輸出相間電壓vohigh及中間輸出相間電壓Vomid之每一者，以解決上述的電流劃分狀態且可輕易地執行雙向開關S的控制。此外，在D-模式(其為一升壓操作)的情況中，矩陣轉換器1藉由在類似方式中的一輸出相間電壓而產生最高輸入相間電壓Vihigh及中間輸入相間電壓Vimid，以消除上述電流劃分狀態且可輕易地執行雙向開關S的控制。
[控制單元20的組態]
矩陣轉換器1之控制單元20的組態將特別地解釋如下。圖10為描述圖1所示控制單元20之組態的圖式。如圖10所示，控制單元20包括輸入電壓偵測單元21、輸出電壓偵測單元22、電壓指令產生單元23、升壓/降壓開關單元24、及PWM信號產生單元25。
輸入電壓偵測單元21偵測在輸入側的電壓。特別地，輸入電壓偵測單元21偵測在AC電源2之R-相位、S-相位、及T-相位之個別相位與第一反應器L1之間的連接點之AC電源2之相間電壓Vrs、Vst、及Vtr(在下文中係描述為輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr)的數值。輸入相間電壓Vrs為R-相位與S-相位之間的電壓、輸入相間 電壓Vst為S-相位與T-相位之間的電壓、且輸入相間電壓Vtr為T-相位與R-相位之間的電壓。此外，輸入電壓偵測單元21偵測輸入電壓的相位θa。
輸出電壓偵測單元22偵測在輸出側的電壓。特別地，輸出電壓偵測單元22偵測在負載3之U-相位、V-相位、及W-相位之個別相位與第二反應器L2之間的連接點之負載3之相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu(在下文中係描述為輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu)的數值。輸出相間電壓Vuv為U-相位與V-相位之間的電壓、輸出相間電壓Vvw為V-相位與W-相位之間的電壓、且輸出相間電壓Vwu為W-相位與U-相位之間的電壓。此外，輸出電壓偵測單元22偵測輸出電壓的相位θc。
電壓指令產生單元23基於由設定工具4(參考圖1)所設定之功率轉換方向資訊Kd而決定功率轉換方向。特別地，電壓指令產生單元23基於功率轉換方向資訊Kd以決定功率轉換係藉由參照在AC電源2側之電壓而產生電壓至負載3側(下文中稱作輸出方向功率轉換)而執行、或是藉由參照在負載3側之電壓而產生電壓至AC電源2側(下文中稱作輸入方向功率轉換)而執行。
此外，電壓指令產生單元23根據電壓設定數值Kv、頻率設定數值Kf、及功率轉換方向資訊Kd而產生一電壓指令，並將其輸出至PWM信號產生單元25及升壓/降壓開關單元24。電壓設定數值Kv及頻率設定數值Kf為由設定工具4設定於電壓指令產生單元23中的資訊。
舉例來說，當功率轉換方向資訊Kd為指示輸出方向功率轉換的資訊，電壓指令產生單元23根據電壓設定數值Kv及頻率設定數值Kf產生輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*。亦即，電壓指令產生單元23產生輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*，其造成在輸出側的電壓對應根據電壓設定數值Kv及頻率設定數值Kf的電壓。
另一方面，當功率轉換方向資訊Kd為指示輸入方向功率轉換的資訊，電壓指令產生單元23根據電壓設定數值Kv及頻率設定數值Kf產生輸入電壓指令Vr*、Vs*、及Vt*。亦即，電壓指令產生單元23產生輸入電壓指令Vr*、Vs*、及Vt*，其造成在輸入側的電壓對應根據電壓設定數值Kv及頻率設定數值Kf的電壓。
升壓/降壓開關單元24從四個操作模式(參考前述之表格1)(即A-模式、B-模式、C-模式、及D-模式)選擇任一操作模式，且通知PWM信號產生單元25指示在所選操作模式上之資訊IM的資訊。
藉由升壓/降壓開關單元24之操作模式的選擇係基於以下而執行：功率轉換方向資訊Kd、輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr的數值、及輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu的數值。升壓/降壓開關單元24從電壓指令產生單元23獲得功率轉換方向資訊Kd、從輸入電壓偵測單元21獲得輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr的數值、以及從輸出電壓偵測單元22獲得輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu的數值。
當功率轉換方向資訊Kd為輸出方向功率轉換，升壓/降壓開關單元24基於輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr之數值而偵測輸入電壓數值Va。特別地，升壓/降壓開關單元24設定輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr中之最大絕對值為輸入電壓數值Va。
此外，當功率轉換方向資訊Kd為輸出方向功率轉換，升壓/降壓開關單元24從輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*計算輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*。特別地，升壓/降壓開關單元24藉由Vu*-Vv*而獲得輸出相間電壓指令Vuv*、藉由Vv*-Vw*而獲得輸出相間電壓指令Vvw*、以及藉由Vw*-Vu*而獲得輸出相間電壓指令Vwu*。接著，升壓/降壓開關單元24設定輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*中之最大絕對值為輸出電壓指令數值Vb*。
當功率轉換方向資訊Kd指示輸出方向功率轉換且根據輸入電壓數值Va的數值Vc為輸出電壓指令數值Vb*或更多，則升壓/降壓開關單元24選擇A-模式。「根據輸入電壓數值Va的數值Vc」為用以判斷根據電壓設定數值Kv的數值是否可由一降壓操作設定為輸出相位之電壓的一數值。舉例來說，當可由降壓操作產生之輸出電壓的最大數值為相關於輸入電壓數值Va之Va×k1，「根據輸入電壓數值Va的數值Vc」係設定為Va×k1於升壓/降壓開關單元24中。
再者，當功率轉換方向資訊Kd指示輸出方向功率轉 換且根據輸入電壓數值Va的數值Vc小於輸出電壓指令數值Vb*，則升壓/降壓開關單元24選擇B-模式。
另一方面，當功率轉換方向資訊Kd為輸入方向功率轉換，升壓/降壓開關單元24基於輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu而偵測輸出電壓數值Vb。特別地，升壓/降壓開關單元24設定輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu中之最大絕對值為輸出電壓數值Vb。
此外，當功率轉換方向資訊Kd為輸入方向功率轉換，升壓/降壓開關單元24從輸入電壓指令Vr*、Vs*、及Vt*計算輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*。特別地，升壓/降壓開關單元24藉由Vr*-Vs*而獲得輸入相間電壓指令Vrs*、藉由Vs*-Vt*而獲得輸入相間電壓指令Vst*、以及藉由Vt*-Vr*而獲得輸入相間電壓指令Vtr*。接著，升壓/降壓開關單元24設定輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*中之最大絕對值為輸入電壓指令數值Va*。
當功率轉換方向資訊Kd指示輸入方向功率轉換且根據輸出電壓數值Vb的數值Vd為輸入電壓指令數值Va*或更多，則升壓/降壓開關單元24選擇C-模式。「根據輸出電壓數值Vb的數值Vd」為用以判斷根據電壓設定數值Kv的數值是否可由一降壓操作設定為輸入相位之電壓的一數值。舉例來說，當可由降壓操作產生之輸入電壓的最大數值為相關於輸出電壓數值Vb之Vb×k2，「根據輸出電壓數值Vb的數值Vd」係設定為Vb×k2於升壓/降壓開關單元24中。
再者，當功率轉換方向資訊Kd指示輸入方向功率轉換且根據輸出電壓數值Vb的數值Vd小於輸入電壓指令數值Va*，則升壓/降壓開關單元24選擇D-模式。
在此方式中，升壓/降壓開關單元24判斷根據輸入電壓數值Va的數值Vc與輸出電壓指令數值Vb*之間的強度關係以及根據輸出電壓數值Vb的數值Vd與輸入電壓指令數值Va*之間的強度關係。接著，升壓/降壓開關單元24基與判斷結果及功率轉換方向資訊Kd而判斷A-模式、B-模式、C-模式、及D-模式中之任何操作模式。
PWM信號產生單元25根據操作模式且依照表格2中的規則而執行輸入側開關13及輸出側開關16的開啟/關閉控制。再者，PWM信號產生單元25從升壓/降壓開關單元24獲得指示由升壓/降壓開關單元24所選擇之操作模式的資訊，並根據操作模式而產生PWM信號。接著，PWM信號產生單元25輸出所產生的PWM信號至功率轉換單元10。
舉例來說，當在一操作模式上的資訊指示A-模式或B-模式，PWM信號產生單元25從輸入電壓偵測單元21獲得輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr的數值以及輸入電壓的相位θa。接著，PWM信號產生單元25基於所獲得的資訊判斷輸入相位的狀態屬於輸入區段E0至E11中的哪一輸入區段。此外，如稍後將描述，PWM信號產生單元25基於輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*判斷輸出電壓指令的狀態屬於輸出區段F0至F5(參考圖13，其將描述於後 )中的哪一輸出區段。接著，如稍後將描述，PWM信號產生單元25基於所判斷的輸入區段及輸出區段而產生開啟/關閉雙向開關S的PWM信號。
另一方面，當在一操作模式上的資訊指示C-模式或D-模式，PWM信號產生單元25從輸出電壓偵測單元22獲得輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu的數值以及輸出電壓的相位θc。接著，PWM信號產生單元25讀取輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu分別作為輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr，並判斷輸出相位的狀態屬於圖7所示之輸入區段E0至E11中的哪一輸入區段。此外，PWM信號產生單元25讀取輸入電壓指令Vr*、Vs*、及Vt*分別作為輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*，並判斷輸入電壓指令Vr*、Vs*、及Vt*的狀態屬於圖13所示之輸出區段F0至F5中的哪一輸出區段。接著，如稍後將描述，PWM信號產生單元25基於所判斷的輸出區段及輸入區段而產生開啟/關閉雙向開關S的PWM信號。
PWM信號產生單元25產生調節波及載波，且藉由比較其而產生開啟/關閉功率轉換單元10之雙向開關S的PWM信號。圖11及圖12為藉由圖10所示之PWM信號產生單元25之PWM信號的產生方法之範例性圖式。
當在操作模式上的資訊指示A-模式或B-模式，如圖11所示，PWM信號產生單元25藉由比較載波CW1及調節波MW1而產生針對最高輸出相間電壓Vohigh的PWM信號SP1。此外，PWM信號產生單元25藉由比較載波 CW2及調節波MW2而產生針對中間輸出相間電壓Vomid的PWM信號SP2。
當在操作模式上的資訊指示C-模式或D-模式，如圖12所示，PWM信號產生單元25藉由比較載波CW3及調節波MW3而產生針對最高輸入相間電壓Vihigh的PWM信號SP3。此外，PWM信號產生單元25藉由比較載波CW4及調節波MW4而產生針對中間輸入相間電壓Vimid的PWM信號SP4。
PWM信號產生單元25根據表格5產生載波CW1至CW4及調節波MW1至MW4之振幅。
當操作模式為A-模式，如表格5所示，PWM信號產生單元25根據輸入電壓偵測數值Vin1而調整載波CW1的振幅，且根據輸入電壓偵測數值Vin2而調整載波CW2的振幅。輸入電壓偵測數值Vin1為輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr中之最大絕對值，且輸入電壓偵測數值Vin2為輸入相間電壓Vrs、Vst、及Vtr中之第二大絕對值。
此外，以類似上述升壓/降壓開關單元24的方式，PWM信號產生單元25從輸出電壓指令Vu*、Vv*、Vw*產 生輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*。PWM信號產生單元25設定輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*中之最大絕對值為最高輸出相間電壓指令Vohigh*，並設定輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*中之第二大絕對值為中間輸出相間電壓指令Vomid*。接著，如表格5所示，PWM信號產生單元25基於最高輸出相間電壓指令Vohigh*的瞬時數值而調整調節波MW1的強度，並基於中間輸出相間電壓指令Vomid*的瞬時數值而調整調節波MW2的強度。
再者，當操作模式為A-模式，PWM信號產生單元25開啟輸入側開關13並關閉輸出側開關16。因此，由第一反應器L1及第一電容器C1所組成的濾波器電路係形成於AC電源2與功率轉換單元10之間。
在A-模式中，基於降壓截波器的原理決定開啟期間Ton及關閉期間Toff。亦即，雙向開關S係控制使得開啟期間Ton及關閉期間Toff具有由從PWM信號產生單元25輸出之PWM信號之以下方程式(1)及(2)所示的關係。
(Ton1+Toff1)/Ton1=Vin1/Vohigh* (1)
(Ton2+Toff2)/Ton2=Vin2/Vomid* (2)
Ton1：當產生最高輸出相間電壓Vohigh的開啟期間Ton
Toff1：當產生最高輸出相間電壓Vohigh的關閉期間Toff
Ton2：當產生中間輸出相間電壓Vomid的開啟期間Ton
Toff2：當產生中間輸出相間電壓Vomid的關閉期間Toff
當操作模式在B-模式，PWM信號產生單元25從輸出電壓指令Vu*、Vv*、Vw*產生輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*。PWM信號產生單元25設定輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*中之最大絕對值為輸出相間電壓指令Vo1*，並設定輸出相間電壓指令Vuv*、Vvw*、及Vwu*中之第二大絕對值為輸出相間電壓指令Vo2*。如表格5所示，PWM信號產生單元25分別基於輸出相間電壓指令Vo1*及輸出相間電壓指令Vo2*而調整載波CW1及載波CW2的振幅。
此外，PWM信號產生單元25基於最高輸入相間電壓指令Vihigh的瞬時數值而調整調節波MW1的強度，並基於中間輸入相間電壓指令Vimid的瞬時數值而調整調節波MW2的強度。舉例來說，當輸入相位的狀態屬於圖6所示的區段E0，最高輸入相間電壓指令Vihigh為輸入相間電壓Vrt的絕對值，而中間輸入相間電壓指令Vimid為輸入相間電壓Vrs的絕對值。因此，在此情況中，PWM信號產生單元25基於輸入相間電壓Vrt的瞬時絕對值而調整調節波MW1的強度，並基於輸入相間電壓Vrs的瞬時絕對值而調整調節波MW2的強度。
此外，當操作模式為B-模式，PWM信號產生單元25 關閉輸入側開關13並開啟輸出側開關16。因此，形成了由第一反應器L1、雙向開關S、及第二電容器C2所組成的升壓電路。
在B-模式中，基於升壓截波器的原理決定開啟期間Ton及關閉期間Toff。亦即，雙向開關S係控制使得開啟期間Ton及關閉期間Toff具有由從PWM信號產生單元25輸出之PWM信號之以下方程式(3)及(4)所示的關係。
Toff3/(Ton3+Toff3)=Vihigh/Vo1* (3)
Toff4/(Ton4+Toff4)=Vimid/Vo2* (4)
Ton3：當產生最高輸入相間電壓Vihigh的開啟期間Ton
Toff3：當產生最高輸入相間電壓Vihigh的關閉期間Toff
Ton4：當產生中間輸入相間電壓Vimid的開啟期間Ton
Toff4：當產生中間輸入相間電壓Vimid的關閉期間Toff
當操作模式為C-模式，如表格5所示，PWM信號產生單元25分別根據輸出電壓偵測數值Vo1及輸出電壓偵測數值Vo2而調整載波CW3及CW4的振幅。輸出電壓偵測數值Vo1為輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu中之最大絕對值，且輸入電壓偵測數值Vo2為輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu中之第二大絕對值。
以類似上述升壓/降壓開關單元24的方式，PWM信號產生單元25從輸入出電壓指令Vr*、Vs*、Vt*產生輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*。PWM信號產生單元25設定絕對值為輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*中之最大者為輸入相間電壓指令Vihigh*，並設定絕對值為輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*中之第二大者為輸入相間電壓指令Vimid*。接著，PWM信號產生單元25基於最高輸入相間電壓指令Vihigh*的瞬時數值而調整調節波MW3的強度，並基於中間輸入相間電壓指令Vimid*的瞬時數值而調整調節波MW4的強度。
再者，當操作模式為C-模式，PWM信號產生單元25關閉輸入側開關13並開啟輸出側開關16。因此，由第二反應器L2及第二電容器C2所組成的濾波器電路係形成於功率轉換單元10與負載3之間。在C-模式中，以類似A-模式的方式，基於降壓截波器的原理決定開啟期間Ton及關閉期間Toff。
當操作模式為D-模式，PWM信號產生單元25從輸入出電壓指令Vr*、Vs*、Vt*產生輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*。PWM信號產生單元25設定絕對值為輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*中之最大者為輸入相間電壓指令Vi1*，並設定絕對值為輸入相間電壓指令Vrs*、Vst*、及Vtr*中之第二大者為輸入相間電壓指令Vi2*。PWM信號產生單元25分別根據輸入相間電壓指令Vi1*及輸入相間電壓指令Vi2*而調整載波CW3及CW4的振幅 。
此外，PWM信號產生單元25基於最高輸出相間電壓Vohigh的瞬時數值而調整調節波MW3的強度，並基於中間輸出相間電壓指令Vomid的瞬時數值而調整調節波MW4的強度。舉例來說，最高輸出相間電壓Vohigh為輸出相間電壓Vuw，且中間輸出相間電壓指令Vomid為輸出相間電壓Vuv。在此情況中，PWM信號產生單元25基於輸出相間電壓Vuw的瞬時數值而調整調節波MW3的強度，並基於輸出相間電壓Vuv的瞬時數值而調整調節波MW4的強度。
此外，當操作模式為D-模式，PWM信號產生單元25開啟輸入側開關13並關閉輸出側開關16。因此，形成了由第二反應器L2、雙向開關S、及第一電容器C1所組成的升壓電路。在D-模式中，以類似B模式的方式，基於升壓截波器的原理決定開啟期間Ton及關閉期間Toff。
將參考圖13特別地解釋相間電壓指令。在下文中，將解釋功率轉換方向資訊Kd指示輸出方向功率轉換的例子作為一範例。換言之，在A-模式或B-模式中之操作的情況將解釋作為一範例。圖13為輸出相間電壓指令之說明圖。
如圖13所示，PWM信號產生單元25藉由使用輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*的數值將一區段劃分為輸出區段F0至F5，其中輸出相間電壓Vuv、Vvw、及Vwu的絕對值的強度關係未改變。接著，PWM信號產生單元25 基於輸入相位電壓Vr、Vs、及Vt及輸出電壓指令Vu*、Vv*、及Vw*的數值而產生圖13所示的輸出相間電壓指令A及B。
輸出相間電壓指令A為當輸入相位電壓(下文中為中間輸入相位電壓Vim)(其電壓值為輸入相位電壓Vr、Vs、及Vt之間的中間)為正電壓時所選擇之輸出相間電壓指令。舉例來說，在圖13所示的輸出區段F0中，當中間輸入相位電壓Vim為正電壓，PWM信號產生單元25產生輸出相間電壓指令Vuw*及輸出相間電壓指令Vvw*作為相間電壓指令A。
另一方面，輸出相間電壓指令B為當中間輸入相位電壓Vim為負電壓時所選擇之輸出相間電壓指令。舉例來說，在圖13所示的輸出區段F0中，當中間輸入相位電壓Vim為負電壓，PWM信號產生單元25產生輸出相間電壓指令Vvu*及輸出相間電壓指令Vwu*作為相間電壓指令B。
在圖13所示的輸出區段F0中之PWM信號的產生將以在B-模式中的操作作為一範例而作詳細描述。在輸出區段F0中的輸出相間電壓指令與輸入區段E0至E11之間的關係將描述於表格6中。在輸出區段F0中，PWM信號產生單元25根據表格6執行雙向開關S的開啟/關閉控制。舉例來說，PWM信號產生單元25儲存資訊於表格6所示的表格，且基於資訊執行雙向開關S的開啟/關閉控制。
舉例來說，在輸出區段F0中，當輸入相位電壓Vr、Vs、及Vt於屬於輸入區段E0的狀態，如表格6所示，S-相位電壓Vs(其為中間輸入相位電壓Vim)為一負電壓。在此情況中，PWM信號產生單元25選擇輸出相間電壓指令B，並產生輸出相間電壓指令Vwu*作為最高輸出相間電壓指令以及產生輸出相間電壓指令Vvu*作為中間輸出相間電壓指令。因此，最高輸出相間電壓Vohigh變成在W-相位及U-相位之間，且中間輸出相間電壓Vomid變成 在V-相位及U-相位之間。
此外，在輸入區段E0中，最高輸入相間電壓Vihigh為輸入相間電壓Vrt，且中間輸入相間電壓Vimid為輸入相間電壓Vrs。因此，在輸出區段F0及輸入區段E0的情況中，PWM信號產生單元25執行雙向開關S的連接控制程序(下文中係描述為切換控制程序)，如下文所示。
首先，PWM信號產生單元25開啟雙向開關Sru、Ssu、及Stu，且累積磁能於圖9所示之區之第一反應器L1s及L1t中。雙向開關Sru在圖9所示之所有區a至e中保持在開啟狀態。
接著，在圖9所示的區b至d中，為了連接R-相位及T-相位(最高輸入相間電壓Vihigh係輸入至其)至U-相位及W-相位(其為最高輸出相間電壓Vohigh)，PWM信號產生單元25關閉雙向開關Stu且開啟雙向開關Sru及Stw。由於雙向開關Sru已經在開啟狀態，PWM信號產生單元25開啟雙向開關Stw以連接T-相位及W-相位。雙向開關Stw係由從PWM信號產生單元25輸出的PWM信號SP1所開啟。因此，累積於第一反應器L1t的磁能係釋放至第二電容器C2w作為電能，使得T-相位的電壓被升壓並輸出至W-相位。
此外，在圖9所示的區c中，為了連接R-相位及S-相位(中間輸入相間電壓Vimid係輸入至其)至U-相位及W-相位(其為中間輸出相間電壓Vomid)，PWM信號產生單元25關閉雙向開關Ssu且開啟雙向開關Sru及Ssv 。由於雙向開關Sru已經在開啟狀態，PWM信號產生單元25開啟雙向開關Ssv以連接S-相位及V-相位。雙向開關Ssv係由從PWM信號產生單元25輸出的PWM信號SP2所開啟。因此，累積於第一反應器L1s的能量係釋放至第二電容器C2v作為電能，使得S-相位的電壓被升壓並輸出至V-相位。
此外，在輸出區段F0中，當輸入相位電壓Vr、Vs、及Vt在輸入區段E1，S-相位電壓Vs(其為中間輸入相位電壓Vim)為一正電壓。在此情況中，PWM信號產生單元25選擇輸出相間電壓指令A，並產生輸出相間電壓指令Vuw*作為最高輸出相間電壓指令以及產生輸出相間電壓指令Vvw*作為中間輸出相間電壓指令。因此，最高輸出相間電壓Vohigh變成在U-相位及W-相位之間，且中間輸出相間電壓Vomid變成在V-相位及W-相位之間。
此外，在輸入區段E1中，最高輸入相間電壓Vihigh為輸入相間電壓Vrt，且中間輸入相間電壓Vimid為輸入相間電壓Vst。因此，在輸出區段F0及輸入區段E1的情況中，PWM信號產生單元25執行雙向開關S的切換控制程序，如下文所示。
首先，PWM信號產生單元25開啟雙向開關Srw、Ssw、及Stw，且累積磁能於圖9所示之區之第一反應器L1r及L1s中。雙向開關Stw在圖9所示之所有區a至e中保持在開啟狀態。
接著，在圖9所示的區b至d中，為了連接R-相位及 T-相位(最高輸入相間電壓Vihigh係輸入至其)至U-相位及W-相位(其為最高輸出相間電壓Vohigh)，PWM信號產生單元25關閉雙向開關Srw且開啟雙向開關Sru及Stw。由於雙向開關Stw已經在開啟狀態，PWM信號產生單元25開啟雙向開關Sru以連接R-相位及U-相位。雙向開關Sru係由從PWM信號產生單元25輸出的PWM信號SP1所開啟。因此，累積於第一反應器L1r的磁能係釋放至第二電容器C2u作為電能，使得R-相位的電壓被升壓並輸出至U-相位。
此外，在圖9所示的區c中，為了連接S-相位及T-相位(中間輸入相間電壓Vimid係輸入至其)至V-相位及W-相位(其為中間輸出相間電壓Vomid)，PWM信號產生單元25關閉雙向開關Ssw且開啟雙向開關Ssv及Stw。由於雙向開關Stw已經在開啟狀態，PWM信號產生單元25開啟雙向開關Ssv以連接S-相位及V-相位。雙向開關Ssv係由從PWM信號產生單元25輸出的PWM信號SP2所開啟。因此，累積於第一反應器L1s的磁能係釋放至第二電容器C2v作為電能，使得S-相位的電壓被升壓並輸出至V-相位。
此外，在輸入區段E2至E11中，以類似的方式，PWM信號產生單元25釋放累積於第一反應器L1中的磁能至第二電容器C2作為電能，並升壓輸入相位的電壓且將其輸出至輸出相位。
在此方式中，PWM信號產生單元25根據輸入相位電 壓之間的強度關係及中間輸入相位電壓的極性而執行雙向開關S之狀態的切換。因此，PWM信號產生單元25可開啟連接最高輸入相間電壓Vihigh所輸入之相位至為最高輸出相間電壓Vohigh之相位的雙向開關S，並開啟連接中間輸入相間電壓Vimid所輸入之相位至為中間輸出相間電壓Vomid之相位的雙向開關S。
此外，當切換輸入區段或輸出區段，PWM信號產生單元25藉由在輸出區段切換之前及之後執行雙向開關S之狀態的切換而正確地執行升壓操作，如下所示。在下文中，在首先特別地解釋在B-模式中之升壓操作的輸入區段切換之後將特別地解釋輸出區段切換作為一範例。
(輸入區段切換)
當切換輸入區段，PWM信號產生單元25開始從在原始輸入區段中之雙向開關S的其中一連接狀態(其對應在切換輸入區段中之雙向開關S的一連接狀態)切換。
舉例來說，考慮從輸入區段E0至輸入區段E1的輸入區段之切換。表格7描述當輸出電壓指令在輸出區段F0時，在圖9所示之輸入區段E0或E1之每一區a至e中之要被開啟的雙向開關。在表格7的每一框中，在「/」左側所描述的雙向開關S為在輸入區段E0中要被開啟的雙向開關，而在「/」右側所描述的雙向開關S為在輸入區段E1中要被開啟的雙向開關S。
如表格7所示，在區c中所有雙向開關S的狀態在輸入區段E0與輸入區段E1之間為相同。表格7中的陰影線框指示雙向開關S的狀態在輸入區段E0與輸入區段E1之間為相同。
因此，PWM信號產生單元25從原始輸入區段E0的區c開始輸入區段的切換，其中雙向開關S的連接狀態對應切換輸入區段E1之區c中連接狀態。為執行控制，PWM信號產生單元25例如使用如表格8所示的表格。
在此方式中，當切換輸入區段，PWM信號產生單元25開始從一區的切換，其中在切換之後，雙向開關S的連接狀態對應在相同區中的連接狀態。以此程序，矩陣轉換器1可正確地執行升壓操作。
此外，舉例來說，當輸出電壓指令在輸出區段F0，考慮從輸入區段E1至輸入區段E2之輸入區段的切換。表格9描述在圖9所示之輸入區段E1及E2中之每一區a至e中要被開啟的雙向開關S。在表格9中的每一框，在「/」左側所描述的雙向開關S為在輸入區段E1中要被開啟的雙向開關S，而在「/」右側所描述的雙向開關S為在輸入區段E2中要被開啟的雙向開關S。
如表格9所示，在區a及e中之所有雙向開關S的狀態在輸入區段E1及輸入區段E2之間為相同。因此，當雙向開關的連接狀態從電壓未輸出至負載3側之區切換至電壓輸出至負載3側之區時，PWM信號產生單元25執行輸入區段的切換。在電壓輸出至負載3側之區，累積於第一反應器L1中的能量係釋放，且升壓操作可藉由根據在轉移至區的時序之輸入區段切換雙向開關S而正確地執行。
舉例來說，在當輸入區段從輸入區段E1切換至輸入區段E2的情況中，切換係執行於從輸入區段E1的區a轉移至輸入區段E1的區b之時序。為執行此控制，PWM信號產生單元25例如使用如表格10所示的表格。
此外，當雙向開關S的連接狀態從電壓輸出至負載3側之區切換至電壓未輸出至負載3側之區時，PWM信號產生單元25可執行輸入區段的切換。在電壓未輸出至負載3側之區，累積於第一反應器L1中的磁能係釋放，且升壓操作可藉由根據在轉移至區的時序之輸入區段切換雙向開關S而正確地執行。
舉例來說，當輸出電壓指令在輸出區段F0，在輸入區段從輸入區段E1切換至輸入區段E2的情況中，切換係執行於從輸入區段E1的區d轉移至輸入區段E1的區e之時序。為執行此控制，PWM信號產生單元25例如使用如表格11所示的表格。
如上述，當切換輸入區段，矩陣轉換器1的PWM信號產生單元25選擇在區a至e中對升壓操作具有最小影響的區，並執行切換至切換輸入區段中之一對應區。因此，針對輸入區段切換，PWM信號產生單元25包括有關輸入區段之切換的12種情況之每一者之輸出電壓指令之6個輸出區段F0至F5的總共72個表格。因此，可正確地執行升壓操作。
(輸出區段切換)
在上文中，切換輸入區段之情況係解釋作為一範例，且在切換輸出區段的情況中，雙向開關S之狀態的切換係藉由選擇在區a至區e中對升壓操作具有最小影響的一區而以類似的方式執行。
在輸出區段F1中之輸出電壓指令與輸入區段E0及E1之間的關係係顯示於表格12中。
當切換一輸出區段，PWM信號產生單元25開始從在 原始輸出區段中之雙向開關S的其中一連接狀態(其對應在切換輸出區段中之雙向開關S的一連接狀態)切換。
舉例來說，在輸入區段E1中，考慮從輸出區段F0至輸出區段F1的輸出區段切換。在此情況中，在每一輸出區段F0及F1之圖9所示的每一區a至e中之要被開啟的雙向開關S係顯示於表格13中。在表格13的每一框中，以類似於表格7的方式，在「/」左側所描述的雙向開關S為在輸出區段F0中要被開啟的雙向開關S，而在「/」右側所描述的雙向開關S為在輸出區段F1中要被開啟的雙向開關S。
在輸入區段E1中，當從輸出區段F0切換至輸出區段F1，如表格13所示，在區a及e中所有雙向開關S的狀態在輸出區段F0與輸出區段F1之間為相同。在區a及e中，雙向開關S係在電壓未輸出的狀態中。表格13中的陰影線框指示雙向開關S的狀態在輸出區段F0與輸出區段F1之間為相同。
因此，在輸入區段E1中，當執行從輸出區段F0至輸出區段F1之輸出區段的切換，PWM信號產生單元25從 原始輸出區段F0之區a轉移雙向開關S的狀態至切換輸出區段F1的區b。此外，PWM信號產生單元25也可從原始輸出區段F0之區d轉移雙向開關S的狀態至切換輸出區段F1的區e。為執行控制，以類似上述的方式，針對輸出區段切換，PWM信號產生單元25包括有關輸出區段之切換的6種情況之每一者之12個輸出區段E0至E11(其為輸入電壓的區段)的總共72個表格。
在輸出區段切換的情況中，以類似於輸入區段切換的情況之方式，某些輸出區段係在雙向開關S在一區之輸出電壓之狀態的狀態中，其中所有雙向開關S的狀態在切換之前及之後為相同。在此一輸出區段中，當從電壓輸出至負載3側之一狀態切換至電壓未輸出至負載3側之一狀態，PWM信號產生單元25執行輸出區段的切換。此外，當從電壓未輸出至負載3側之一狀態切換至電壓輸出至負載3側之一狀態，PWM信號產生單元25執行輸出區段的切換。
(降壓操作及升壓操作之間的切換)
在上文中，針對當輸入區段或輸出區段在B-模式中切換時執行雙向開關S在預定時序之狀態的切換而做出解釋，然而，在從降壓操作轉移至升壓操作的情況中，雙向開關S之狀態的切換也可於預定時序執行。這點將特別描述於下。
在此具體實施例中，作為一範例，將解釋在輸入區段 E1及輸出區段F0的情況中之從A-模式至B-模式之切換的切換控制程序。表格14描述在輸出區段F0之輸出電壓指令與輸入區段E0及E1之間的關係。
當從降壓操作切換至升壓操作，PWM信號產生單元25開始在切換前從雙向開關S之其中一連接狀態之切換，其對應在切換後之雙向開關S之一連接狀態。
舉例來說，在輸入區段E1及輸出區段F0的情況中，在圖9所示之每一區a至e之A-模式及B-模式中要被開啟的雙向開關S係描述於表格15中。以類似表格7的方式，在表格15的每一框中，在「/」左側所描述的雙向開關S為在A-模式中要被開啟的雙向開關S，而在「/」右側所描述的雙向開關S為在B-模式中要被開啟的雙向開關S。
當在輸入區段E0及輸出區段F0之狀態中從A-模式切換至B-模式，如表格15所示，在區c之雙向開關S的狀態在A-模式及B-模式之間完全相同。表格15中的陰影線框指示雙向開關S的狀態在A-模式及B-模式之間為相同。
因此，當從A-模式切換至B-模式，PWM信號產生單元25開始在切換前從A-模式之區c的切換，其中雙向開關S的連接狀態對應切換後在B-模式之區c中的連接狀態。
為執行此控制，PWM信號產生單元25例如使用如表格16所示的表格。PWM信號產生單元25根據表格2在區c開始之後區d開始之前執行從A-模式至B-模式的切換。
舉例來說，在輸入區段E0及輸出區段F0之狀態中從B-模式切換至A-模式的情況中，控制為相同。在此情況中，PWM信號產生單元25例如使用如表格17所示的表格。PWM信號產生單元25根據表格17在區c開始之後區d開始之前執行從B-模式至A-模式的切換。
在此方式中，在從降壓操作切換至升壓操作的情況中及在與其相反的情況中，PWM信號產生單元25開始在切換前從雙向開關S之其中一連接狀態的切換，其根據一表格對應在切換後雙向開關S之一連接狀態。PWM信號產生單元25包括總共144個表格，其為在升壓操作及降壓操作之間的切換所必需，針對由12個輸入區段E0至E11及6個輸出區段F0至F5所決定之72種情況，相關於每一升壓→降壓切換及降壓→升壓切換。以此程序，矩陣轉換器1可快速地執行從降壓操作至升壓操作的轉換。
此外，在上文中，解釋了相關於B-模式的切換控制程序，然而PWM信號產生單元25可以類似的方式執行相關於D-模式的切換控制程序。因此，在D-模式中，可正確 地執行升壓操作。此外，從C-模式至D-模式的轉移以及從D-模式至C-模式的轉移可快速地執行。
再者，PWM信號產生單元25可以類似相關於B-模式及D-模式之切換控制程序而執行相關於A-模式及C-模式的切換控制程序。因此，在每一模式中的切換控制程序可以類似的方式執行，以避免切換控制程序整體上太過複雜。
如上述，根據具體實施例之矩陣轉換器1的控制單元20開啟雙向開關S，其將輸入相間電壓中最高相間電壓所輸入之相位連接至輸出相間電壓中最高相間電壓之相位。此外，控制單元20開啟雙向開關S，其將輸入相間電壓中之中間相間電壓所輸入之相位連接至輸出相間電壓中之中間相間電壓之相位。因此，可輕易地執行雙向開關S的控制。
此外，在輸出方向功率轉換的情況中，控制單元20根據在輸入側之相位電壓之間的強度關係以及在輸入側之中間相位電壓之極性而執行雙向開關S之狀態的切換。接著，控制單元20在切換前從雙向開關S之其中一連接狀態開始雙向開關S之狀態的切換，其對應切換後之雙向開關S之一連接狀態。因此，舉例來說，在升壓操作的情況中，可正確地執行升壓控制。
此外，在輸入方向功率轉換的情況中，控制單元20根據在輸出側之相位電壓之間的強度關係以及在輸出側之中間相位電壓之極性而執行雙向開關S之狀態的切換，且 在切換前從雙向開關S之其中一連接狀態開始雙向開關S之狀態的切換，其對應切換後之雙向開關S之一連接狀態。因此，舉例來說，在升壓操作的情況中，可正確地執行升壓控制。
1‧‧‧矩陣轉換器
2‧‧‧AC電源
3‧‧‧負載
4‧‧‧設定工具
10‧‧‧功率轉換單元
11‧‧‧輸入側反應器群組
12‧‧‧輸入側電容器群組
13‧‧‧輸入側開關
14‧‧‧輸出側反應器群組
15‧‧‧輸出側電容器群組
16‧‧‧輸出側開關
20‧‧‧控制單元
21‧‧‧輸入電壓偵測單元
22‧‧‧輸出電壓偵測單元
23‧‧‧電壓指令產生單元
24‧‧‧升壓/降壓開關單元
25‧‧‧PWM信號產生單元
當藉由參考詳細說明並與所附隨圖式一同考慮而對本發明有較佳的理解，可容易地獲得本發明之更完整的理解及其許多伴隨的優點，其中：圖1為描述根據具體實施例之矩陣轉換器之組態的圖式；圖2為在B-模式中之電路組態的說明圖式；圖3為描述雙向開關在升壓操作中之控制範例的圖式；圖4為圖3所示區段L之放大圖；圖5為描述電流在表格3之區Lc及Lg流動之路徑的圖式；圖6及圖7為描述輸入相位電壓及輸入區段之間關係的圖式；圖8為描述藉由圖1所示控制單元之雙向開關之控制的範例的圖式；圖9為圖8所示區段T11的放大圖；圖10為描述圖1所示控制單元之組態的圖式；圖11及圖12為藉由圖10所示之PWM信號產生單元 之PWM信號的產生方法之範例性圖式；以及圖13為相間電壓指令之說明圖。
1‧‧‧矩陣轉換器
2‧‧‧AC電源
3‧‧‧負載
4‧‧‧設定工具
10‧‧‧功率轉換單元
11‧‧‧輸入側反應器群組
12‧‧‧輸入側電容器群組
13‧‧‧輸入側開關
14‧‧‧輸出側反應器群組
15‧‧‧輸出側電容器群組
16‧‧‧輸出側開關
20‧‧‧控制單元

Claims (10)

  1. 一種矩陣轉換器，包含：一功率轉換單元，包括連接一AC電源之每一相位及一負載之每一相位的複數個雙向開關；以及一控制單元，控制該雙向開關，其中該控制單元產生負載側相間(phase-to-phase)電壓中之一最高相間電壓，其係藉由重複控制連接相關於該複數個雙向開關中之該最高相間電壓之相位以及相關於AC電源側相間電壓中之一最高相間電壓之相位的雙向開關所產生之第1脈衝群組，且該控制單元產生該負載側相間電壓中之一中間相間電壓，其係藉由重複控制連接相關於該複數個雙向開關中之該中間相間電壓之相位以及相關於該AC電源側相間電壓中之一中間相間電壓之相位的雙向開關所產生之第2脈衝群組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元根據在該AC電源側上之相位電壓之間的一強度關係以及在該AC電源側上一中間相位電壓的極性而執行該雙向開關之一連接控制程序的切換，且在對應該切換之後之該雙向開關之一連接狀態的切換前，從該雙向開關之其中一連接狀態開始該連接控制程序的切換。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元根據在該負載側上相位電壓之間的一強度關係以及在該負載側上一中間相位電壓的極性而執行該雙向開關之一連接控制程序的切換，且在對應該切換之後之該 雙向開關之一連接狀態的切換前，從該雙向開關之其中一連接狀態開始該連接控制程序的切換。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之矩陣轉換器，更包含：複數個第一反應器，各連接於該AC電源之一對應相位及該功率轉換單元之間；複數個第二反應器，各連接於該負載之一對應相位及該功率轉換單元之間；複數個第一電容器，經由一第一開關而連接於該AC電源側上之該功率轉換單元的相位之間；以及複數個第二電容器，經由一第二開關而連接於該負載側上之該功率轉換單元之相位之間，其中該控制單元藉由控制該第一開關、該第二開關、及該雙向開關而執行該AC電源側及該負載側之間的一升壓操作及一降壓操作。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元根據在該負載側上相位電壓之間的一強度關係而執行該雙向開關之一連接控制程序的切換，且在對應該切換之後之該雙向開關之一連接狀態的該切換前，或者當該雙向開關之一連接狀態從電壓未輸出至該負載側之一狀態切換至電壓輸出至該負載側之一狀態時，或者當該雙向開關之一連接狀態從電壓輸出至該負載側之一狀態切換至電壓未輸出至該負載側之一狀態時，從該雙向開關之其中一連接狀態開始該連接控制程序的切換。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元開啟該第一開關及該第二開關中之連接至一升壓側的一開關且關閉連接至一降壓側的一開關。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元開啟該第一開關及該第二開關中之連接至一升壓側的一開關且關閉連接至一降壓側的一開關。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之矩陣轉換器，其中當該雙向開關之一連接狀態從電壓輸出至該負載側之一狀態切換至電壓未輸出至該負載側之一狀態時，該控制單元執行該升壓操作及該降壓操作中之一操作至另一操作的切換。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元基於加入一預定相位差至該AC電源側上之一相位電壓之一相位所獲得之一相位，選擇該AC電源側相間電壓中之一最高相間電壓以及該AC電源側相間電壓中之一中間相間電壓。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之矩陣轉換器，其中該控制單元基於加入一預定相位差至該AC電源側上之一相位電壓之一相位所獲得之一相位，判斷在該AC電源側上之相位電壓之間的一強度關係以及該中間相位電壓之極性。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102959841B (zh) * 2010-06-29 2016-01-13 伊顿工业公司 循环变流器的功率因数控制
JP5672319B2 (ja) * 2013-01-23 2015-02-18 株式会社富士通ゼネラル マトリックスコンバータ
JP5682644B2 (ja) 2013-03-11 2015-03-11 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ
JP5854017B2 (ja) 2013-09-26 2016-02-09 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ
JP5839014B2 (ja) * 2013-09-26 2016-01-06 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ
JP5920305B2 (ja) 2013-09-26 2016-05-18 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ
JP5907140B2 (ja) 2013-10-15 2016-04-20 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ
JP5794274B2 (ja) 2013-10-24 2015-10-14 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ
JP6355187B2 (ja) * 2014-02-07 2018-07-11 国立大学法人北海道大学 電力変換装置
US9800167B2 (en) * 2014-02-07 2017-10-24 Abb Schweiz Ag Multi-phase AC/AC step-down converter for distribution systems
JP6269355B2 (ja) * 2014-07-04 2018-01-31 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法
JP2016046957A (ja) * 2014-08-25 2016-04-04 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ、マトリクスコンバータの制御装置およびマトリクスコンバータの制御方法
JP6397775B2 (ja) * 2015-02-06 2018-09-26 東洋電機製造株式会社 電力変換装置
JP6079808B2 (ja) * 2015-03-27 2017-02-15 株式会社富士通ゼネラル ３相／単相マトリクスコンバータ
AU2016240621B2 (en) * 2015-03-31 2018-07-26 Fujitsu General Limited DC/AC system interconnection device and AC/AC system interconnection device
CN110620405A (zh) * 2019-11-08 2019-12-27 南京航空航天大学 一种多电源供电方式下的矩阵式配电系统及控制方法
CN111211698B (zh) * 2020-01-22 2021-11-26 宁波奥克斯电气股份有限公司 一种输出频率连续的交交变频的控制方法、装置及空调器
TWI802370B (zh) * 2022-04-13 2023-05-11 東元電機股份有限公司 矩陣轉換器之相位切換控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1118489A (ja) * 1997-06-19 1999-01-22 Toyo Electric Mfg Co Ltd 同期電動機の駆動制御装置
JP2005168197A (ja) * 2003-12-03 2005-06-23 Fuji Electric Holdings Co Ltd 交流交流直接変換装置の制御装置
WO2006112275A1 (ja) * 2005-04-15 2006-10-26 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki マトリクスコンバータ装置
WO2009013992A1 (ja) * 2007-07-20 2009-01-29 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki マトリクスコンバータ
US20100091534A1 (en) * 2007-03-14 2010-04-15 Meidensha Corporation Matrix converter space vector modulation method

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6046915A (en) * 1997-02-21 2000-04-04 Lucent Technologies Inc. Phase selection circuit for three phase power converter and method of operation thereof
US6031738A (en) * 1998-06-16 2000-02-29 Wisconsin Alumni Research Foundation DC bus voltage balancing and control in multilevel inverters
EP2874297B1 (en) * 2006-06-06 2023-09-27 Ideal Power Inc. Buck-Boost power converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1118489A (ja) * 1997-06-19 1999-01-22 Toyo Electric Mfg Co Ltd 同期電動機の駆動制御装置
JP2005168197A (ja) * 2003-12-03 2005-06-23 Fuji Electric Holdings Co Ltd 交流交流直接変換装置の制御装置
WO2006112275A1 (ja) * 2005-04-15 2006-10-26 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki マトリクスコンバータ装置
US7782643B2 (en) * 2005-04-15 2010-08-24 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Matrix converter apparatus
US20100091534A1 (en) * 2007-03-14 2010-04-15 Meidensha Corporation Matrix converter space vector modulation method
WO2009013992A1 (ja) * 2007-07-20 2009-01-29 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki マトリクスコンバータ

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US20120287686A1 (en) 2012-11-15
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