WO2020189041A1 - Ｆｃ型３レベル電力変換装置 - Google Patents

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WO2020189041A1
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一伸 大井
賢司 小堀
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to voltage control of a flying capacitor and a filter capacitor in a flying capacitor (FC) type three-level power converter.
  • FIG. 21 shows the FC type 3-level chopper circuit described in Patent Document 1
  • FIG. 22 shows a configuration example of an FC-type 3-level converter having a plurality of units and capable of differential output.
  • the FC type 3 level chopper circuit as shown in FIG. 21 and the FC type 3 level converter as shown in FIG. 22 are included in the term FC type 3 level power converter.
  • the FC type 3-level power converter has half the output voltage ripple compared to the 2-level. Further, since the breaking voltage is also halved, the switching loss of the semiconductor switching element is reduced, and the switching frequency can be easily increased. This feature is suitable for equipment that requires high efficiency, high response speed, and low ripple.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose an FC voltage control method for an FC type 3-level inverter, which can be directly applied to an FC-type 3-level chopper circuit.
  • the first to eighth semiconductor switching elements T1 to T8 are turned on or off to perform the first and first operations. While controlling the second flying capacitor voltages Vfc1 and Vfc2 to E / 2 (half of Vdc), the three-level voltage (E, E / 2,0) is the connection point of the second and third semiconductor switching elements T2 and T3. , 6th and 7th semiconductor switching elements T6, T7 are output from the connection points and applied to the load.
  • FC type 3-level converter Details of the FC type 3-level converter are disclosed in General Documents and Patent Document 5.
  • the device In order to control the flying capacitor voltage using Patent Documents 2 and 3, the device needs to output a current. Therefore, while the device is stopped, the flying capacitor voltage decreases due to natural discharge. In addition, a separate means for charging the flying capacitor voltage to about half of the DC voltage is required before operation.
  • a filter capacitor is connected to a general power conversion device for the purpose of removing switching ripples.
  • a battery is connected to a device, an inrush current flows from the battery to the filter capacitor. To prevent this, it is necessary to charge the filter capacitor to the same voltage as the battery in advance. Since Patent Document 4 does not assume the connection of the filter capacitor, the filter capacitor cannot be charged.
  • the present invention has been devised in view of the above-mentioned conventional problems, and one aspect thereof is a first in which a filter capacitor on the high pressure side and the positive and negative sides of the filter capacitor on the high pressure side are sequentially connected in series.
  • the flying capacitors connected between the first to fourth semiconductor switching elements, the connection points of the first and second semiconductor switching elements, and the connection points of the third and fourth semiconductor switching elements, and the second and second semiconductor switching elements.
  • a filter reactor having one end connected to a connection point of a semiconductor switching element, a low-voltage side filter capacitor connected between the other end of the filter reactor and the negative electrode of the high-voltage side filter capacitor, and the high-voltage side
  • An FC type 3-level power converter including a filter capacitor or a DC voltage source connected in parallel to the low-voltage side filter capacitor, which is 1 / of the flying capacitor voltage and the high-voltage side filter capacitor voltage. Comparison with 2, and comparison between the high pressure side filter capacitor voltage and the flying capacitor voltage + low pressure side filter capacitor voltage, comparison between the flying capacitor voltage and the low pressure side filter capacitor voltage, and the low pressure side.
  • the first to fourth semiconductor switching elements are turned ON or OFF, and a current is applied to the path including the filter reactor.
  • the flying capacitor and the low-voltage side filter capacitor or the high-voltage side filter capacitor are charged to a predetermined value.
  • the filter capacitor on the high pressure side, the fourth to first semiconductor switching elements sequentially connected in series between the positive and negative sides of the filter capacitor on the high pressure side, and the fourth and third semiconductors.
  • a flying capacitor connected between the connection point of the switching element and the connection point of the second and first semiconductor switching elements, and a filter reactor having one end connected to the connection point of the third and second semiconductor switching elements.
  • the low-voltage side filter capacitor connected between the other end of the filter reactor and the positive electrode of the high-voltage side filter capacitor, and the high-voltage side filter capacitor or the low-voltage side filter capacitor connected in parallel.
  • An FC type 3-level power converter equipped with a DC voltage source, which compares the flying capacitor voltage with 1/2 of the high-pressure side filter capacitor voltage, and the high-pressure side filter capacitor voltage and the above. Comparison of flying capacitor voltage + low-voltage side filter capacitor voltage, comparison of the flying capacitor voltage with the low-voltage side filter capacitor voltage, and the low-voltage side filter capacitor voltage or the high-voltage side filter capacitor voltage and filter capacitor. Based on the comparison with the voltage command value, the first to fourth semiconductor switching elements are turned ON or OFF to pass a current through the path including the filter reactor, and the flying capacitor and the low-voltage side filter capacitor or the high-voltage capacitor are applied. It is characterized in that the filter capacitor on the side is charged to a predetermined value.
  • the first to fourth semiconductor switching elements sequentially connected in series between the positive and negative sides of the DC voltage source, the connection points of the first and second semiconductor switching elements, and the third and third semiconductor switching elements.
  • a first unit having a first flying capacitor connected to a connection point of a fourth semiconductor switching element, and fifth to eighth units sequentially connected in series between the positive and negative sides of the DC voltage source.
  • a second unit having a semiconductor switching element and a second flying capacitor connected between the connection points of the fifth and sixth semiconductor switching elements and the connection points of the seventh and eighth semiconductor switching elements.
  • the first filter reactor having one end connected to the connection point of the second and third semiconductor switching elements, the second filter reactor having one end connected to the connection point of the sixth and seventh semiconductor switching elements, and the second filter reactor.
  • An FC type 3-level power converter equipped with a filter capacitor connected between the other ends of the 1st and 2nd filter reactors, which is 1/2 of the 1st and 2nd flying capacitor voltage and the DC voltage source voltage. Comparison with, and comparison between the filter capacitor voltage and the filter capacitor voltage command value, and comparison between the DC voltage source voltage and the first flying capacitor voltage + the second flying capacitor voltage + the filter capacitor voltage command value. , And the comparison between the DC voltage source voltage and the first flying capacitor voltage + the second flying capacitor voltage-the filter capacitor voltage command value, and the first and second flying capacitor voltages and the filter capacitor voltage.
  • the first to eighth semiconductor switching elements are turned ON or OFF based on the comparison of the first flying capacitor voltage and the second flying capacitor voltage, and the first and second filter reactors are included. A current is passed through the path to charge the first and second flying capacitors and the filter capacitor to predetermined values.
  • the first in the case where the DC voltage source is connected in parallel to the filter capacitor on the high voltage side and Vfc ⁇ Va / 2 and Vb ⁇ Vb * and Va> Vfc + Vb + ⁇ , the first.
  • the semiconductor switching element When the semiconductor switching element is turned on, the second, third, and fourth semiconductor switching elements are turned off, and Vfc ⁇ Va / 2, Vb ⁇ Vb *, and Va ⁇ Vfc + Vb + ⁇ , the first and second semiconductor switching elements are turned on.
  • the second semiconductor switching element When the first, second, and third semiconductor switching elements are turned off and Vfc ⁇ Va / 2, Vb ⁇ Vb *, and Vfc> Vb + ⁇ , the second semiconductor switching element is turned on, and the first and first semiconductor switching elements are turned on.
  • the third and fourth semiconductor switching elements are turned off and Vfc ⁇ Va / 2, Vb ⁇ Vb *, and Vfc ⁇ Vb + ⁇ , the first and second semiconductor switching elements are turned on, and the third and third semiconductor switching elements are turned on.
  • Vfc Flying capacitor voltage Va: High-voltage side filter capacitor voltage
  • Vb Low-voltage side filter capacitor voltage
  • Vb * Low-voltage side filter capacitor voltage command value
  • ⁇ Predetermined value.
  • the first in the case where the DC voltage source is connected in parallel to the filter capacitor on the low voltage side and Vfc ⁇ Va / 2 and Va> Va * and Va> Vfc + Vb + ⁇ , the first.
  • the semiconductor switching element When the semiconductor switching element is turned on, the second, third, and fourth semiconductor switching elements are turned off, and Vfc ⁇ Va / 2, Va> Va *, and Va ⁇ Vfc + Vb + ⁇ , the first and second semiconductor switching elements are turned on.
  • Another aspect is that ⁇ > 0.
  • the switching pattern shown in Table 1 below the condition shown in the following equation (1) is not satisfied, or the condition shown in the following equation (1) is not satisfied.
  • the switching pattern shown in the following Table 2 and the following equations (1) and (2) are applied. If the conditions shown are not satisfied and the conditions shown in the following equation (3) are satisfied, the first to eighth semiconductor switching elements are turned on or off according to the switching pattern shown in Table 3 below, and the following equations (1) to When all the conditions shown in the equation (3) are not satisfied, all the first to eighth semiconductor switching elements are turned off.
  • Vfc1 First flying capacitor voltage
  • Vfc2 Second flying capacitor voltage
  • Vdc DC voltage source voltage
  • Vc Filter capacitor voltage
  • Vc * Filter capacitor voltage command values T1 to T8: First to eighth semiconductor switching elements.
  • First to Nth units each including a flying capacitor connected between a third semiconductor switching element and a connection point of the fourth semiconductor switching element, and each.
  • the first to Nth reactors one end of which is connected to the connection points of the second and third semiconductor switching elements of the unit, and the other ends of the first to Nth reactors, respectively.
  • a filter reactor that includes a filter capacitor with the lowest flying capacitor voltage and the second lowest unit as the first unit and the second unit, one end of which is connected to the first unit and the second unit. Is a first and second filter reactor, and the filter capacitor voltage of the filter capacitor connected between the other ends of the first and second filter reactors is Vc.
  • the FC type 3-level power conversion device it is possible to charge both the flying capacitor and the filter capacitor without outputting a current to the outside of the device.
  • FIG. The flowchart which shows the procedure of the charging process in Embodiment 1. The figure which shows the current path in each switching pattern.
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 No1).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 No.
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No4).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No5).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No. 6).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No. 7).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No. 8).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No. 9).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No10).
  • the figure which shows the current path in the switching pattern of Embodiment 5 (No11).
  • the circuit diagram which shows the FC type 3 level power conversion apparatus in Embodiment 7. The circuit diagram which shows the conventional FC type 3 level chopper circuit.
  • FIG. 1 shows the circuit configuration of the FC type 3 level power converter (FC type 3 level chopper circuit) in the first embodiment.
  • a high-voltage side filter capacitor C1 is connected in parallel to the DC voltage source DC.
  • the first to fourth semiconductor switching elements T1 to T4 are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the filter capacitor C1 on the high voltage side.
  • the flying capacitor FC is connected between the connection points of the first and second semiconductor switching elements T1 and T2 and the connection points of the third and fourth semiconductor switching elements T3 and T4.
  • One end of the filter reactor L is connected to the connection points of the second and third semiconductor switching elements T2 and T3.
  • a low-voltage side filter capacitor C2 is connected between the other end of the filter reactor L and the negative electrode of the high-voltage side filter capacitor C1.
  • the connection point between the filter reactor L and the filter capacitor C2 on the low voltage side and the negative electrode of the DC voltage source DC serve as output terminals.
  • the high-voltage side filter capacitor voltage is Va
  • the low-voltage side filter capacitor voltage is Vb
  • the flying capacitor voltage is Vfc.
  • the DC voltage source DC is connected to the high voltage side and the flying capacitor FC and the filter capacitor C2 on the low voltage side are charged from the DC voltage source DC.
  • the power converter consisting of the chopper circuit and the LC filter and the load are separated.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the charging process in the first embodiment.
  • the branch goes down, and if the condition is not satisfied, the branch goes right.
  • the predetermined value ⁇ 0 in the determination.
  • the predetermined value ⁇ will be described later.
  • the flying capacitor FC and the low-voltage side filter capacitor C2 are charged according to the following procedures (S1 to S15).
  • Vb ⁇ Vb * that is, both the flying capacitor FC and the low-voltage side filter capacitor C2
  • Va> Vfc + Vb the process proceeds to S5 and the first semiconductor switching element T1 is turned on.
  • Va ⁇ Vfc + Vb after shifting to S6 and turning on the first semiconductor switching element T1 and the second semiconductor switching element T2, shifting to S5 and turning off the second semiconductor switching element T2 and only the first semiconductor switching element T1. Is turned on.
  • Vb> Vfc the process proceeds to S8 and the fourth semiconductor switching element T4 is turned on.
  • Vb ⁇ Vfc the process shifts to S9 to turn on the third semiconductor switching element T3 and the fourth semiconductor switching element T4, then shifts to S8 to turn off the third semiconductor switching element T3 and turns off the fourth semiconductor switching element T4. Turn on only.
  • the gates of all semiconductor switching elements are turned off.
  • the gate ON time or standby time is assumed to be short (about 10 ⁇ s).
  • the above operation is repeated until the start of operation at a frequency such as 1 ms interval where the thermal duty of the semiconductor switching element and the filter reactor does not become a problem.
  • FIG. 3 shows the current path in each switching pattern.
  • the first semiconductor switching element T1 is turned on in S5
  • the path (C1 ⁇ T1 ⁇ FC ⁇ T3 ⁇ L ⁇ C2) of FIG. 3 (b) is turned on. Charges the flying capacitor FC and the low-voltage side filter capacitor C2.
  • the fourth semiconductor switching element T4 is turned on in S8, and the path (C2 ⁇ L ⁇ ) in FIG. 3 (d) is turned on.
  • a current is passed through T2 ⁇ FC ⁇ T4) to charge the flying capacitor FC from the filter capacitor C2 on the low voltage side.
  • the flying capacitor voltage Vfc is sufficient and only the low-voltage side filter capacitor C2 is to be charged, if Vfc> Vb, the second semiconductor switching element T2 is turned on in S12, and the path (FC ⁇ T2 ⁇ ) in FIG. 3 (e) is turned on. A current is passed through L ⁇ C2 ⁇ T4) to charge the low voltage side filter capacitor C2 from the flying capacitor FC.
  • the flying capacitor voltage Vfc can be charged to Va / 2
  • the low voltage side filter capacitor voltage Vb can be charged to the filter capacitor voltage command value Vb *.
  • the flying capacitor FC and the filter capacitor C2 on the low voltage side can be charged from the high voltage side in the FC type 3 level power converter (FC type 3 level chopper circuit).
  • the first embodiment can be applied with the load connected, and the current flowing through the load can be minimized by shortening the gate ON time.
  • the flying capacitor FC and the low-voltage side filter capacitor C2 can be charged without separately preparing a pre-charging circuit.
  • FIG. 4 shows the circuit configuration of the FC type 3 level power conversion device (FC type 3 level chopper circuit) in the second embodiment.
  • the DC voltage source DC is connected in parallel to the low voltage side filter capacitor C2, and the DC voltage source DC connected in parallel to the high voltage side filter capacitor C1 is deleted.
  • Others are the same as in the first embodiment (FIG. 1).
  • the flying capacitor FC and the high-voltage side filter capacitor C1 are charged from the DC voltage source DC.
  • the load is separated.
  • the flying capacitor voltage Vfc and Va / 2 which is 1/2 of the high-voltage side filter capacitor voltage Va, are compared.
  • Va> Va * that is, when it is necessary to charge only the flying capacitor FC, shift to S4 and compare the filter capacitor voltage Va on the high voltage side with Vfc + Vb. If Va> Vfc + Vb, the process proceeds to S5 and the first semiconductor switching element T1 is turned on.
  • Vb> Vfc the process shifts to S8 and the fourth semiconductor switching element T4 is turned on.
  • Vb ⁇ Vfc after shifting to S9 and turning on the third semiconductor switching element T3 and the fourth semiconductor switching element T4, shifting to S8 and turning off the third semiconductor switching element T3 and only the fourth semiconductor switching element T4. Is turned on.
  • Va ⁇ Va * that is, when it is necessary to charge only the high-voltage side filter capacitor C1, the process shifts to S18 and Vfc + Vb is compared with the high-voltage side filter capacitor voltage Va.
  • Vfc + Vb> Va When Vfc + Vb> Va, the process shifts to S19 and the third semiconductor switching element T3 is turned on. In the case of Vfc + Vb ⁇ Va, after shifting to S20 and turning on the third semiconductor switching element T3 and the fourth semiconductor switching element T4, shifting to S19 and turning off the fourth semiconductor switching element T4 and only the third semiconductor switching element T3. Is turned on.
  • the second embodiment also assumes that the gate ON time or standby time is short (about 10 ⁇ s). The above operation is repeated until the start of operation.
  • Vb ⁇ Vb * (when it is desired to charge the filter capacitor C2 on the low voltage side)" of S3 and S10 in the first embodiment is set to "Va> Va *" in S16 and S17. If you want to discharge the filter capacitor C1 on the high voltage side) ”. That is, in the flowchart of FIG. 5, the direction of the inequality sign may be changed in the second determination.
  • the fourth semiconductor switching element T4 is also turned on and the current flows through the path shown in FIG. 3C, and then the current flows.
  • the fourth semiconductor switching element T4 is turned off and the current path is shown in FIG. 3 (f).
  • the flying capacitor FC and the filter capacitor C1 on the high voltage side can be charged from the low voltage side. ..
  • Other effects are the same as in the first embodiment, but in the second embodiment, a precharging circuit for the filter capacitor C1 on the high voltage side is required. The pre-charging circuit of the flying capacitor FC is unnecessary.
  • FIG. 6 shows the circuit configuration of the third embodiment.
  • the third embodiment has a configuration in which the positive electrode side of the high-voltage side filter capacitor C1 and the low-voltage side filter capacitor C2 have a common potential.
  • the semiconductor switching elements are the fourth semiconductor switching element T4, the third semiconductor switching element T3, the second semiconductor switching element T2, and the first semiconductor switching element T1 in order from the positive side. Others are the same as those of the first embodiment or the second embodiment.
  • the flying capacitor FC and the low-voltage side filter capacitor C2 are charged in the same procedure as in the first embodiment.
  • the flying capacitor FC and the high-voltage side filter capacitor C2 are charged in the same procedure as in the second embodiment.
  • the negative electrode side of the high voltage side filter capacitor C1 and the low voltage side filter capacitor C2 have a common potential.
  • FIG. 6 a circuit configuration in which the positive electrode side has a common potential is also possible.
  • the flying capacitor FC and the high-voltage side filter capacitor C1 or the low-voltage side can be obtained in exactly the same procedure as in the first and second embodiments for the circuit configuration of FIG.
  • the filter capacitor C2 can be charged and discharged.
  • the same effect as that of the first and second embodiments can be obtained even in the FC type 3 level power conversion device (FC type 3 level chopper circuit) in which the positive electrode side has a common potential. ..
  • the predetermined value ⁇ > 0 is set in the voltage comparison (S4, S7, S11, S18) of the flowcharts of FIGS. 2 and 5.
  • the voltage Va-Vfc-Vb> 0 applied to the filter reactor L is larger than zero but very small, and the charging current flows but charging takes time. To prevent this, set a predetermined value ⁇ > 0.
  • the voltage Va-Vfc-Vb applied to the filter reactor L can be surely made larger than the predetermined value ⁇ .
  • Va> Vfc + Vb + ⁇ If Va> Vfc + Vb + ⁇ is not satisfied, the voltage applied to the filter reactor L becomes Va-Vb by turning on the first semiconductor switching element T1 and the second semiconductor switching element T2 together, and a large charging current is passed to charge the charging time. Can be shortened.
  • the value of the predetermined value ⁇ As a guideline for the value of the predetermined value ⁇ , it is about 10% to 30% of the rated value (withstand voltage value) of the filter capacitor voltage on the high voltage side, although it depends on the size of the filter reactor L.
  • the value of the predetermined value ⁇ is made variable, and immediately after the device is started up, the predetermined value ⁇ is increased to shorten the time until charging is completed, and once the flying capacitor FC and the high-voltage side filter capacitor C1 or the low-voltage side filter capacitor C2 When charging is completed, the predetermined value ⁇ can be reduced to reduce the charging current, improve the accuracy of voltage control, and reduce the thermal duty of the device parts.
  • the time required for charging the flying capacitor FC and the filter capacitor C can be shortened.
  • the DC voltage source DC and the first and second flying capacitors are “standby”.
  • a method of maintaining the charging and charging states of the first and second flying capacitors FC1 and FC2 and the filter capacitor C2 by turning on / off the semiconductor switching element according to the charging state of the FC1 and FC2 and the filter capacitor C2 will be described. To do.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the FC type 3-level power converter (FC-type 3-level converter) according to the fifth embodiment.
  • the load is the power storage device C3.
  • FC type 3-level power converter (FC-type 3-level converter) shown in FIG. 7 will be described.
  • the first unit 1 and the second unit 2 are connected to the DC voltage source DC.
  • the first to fourth semiconductor switching elements T1 to T4 are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC voltage source DC.
  • the first flying capacitor FC1 is connected between the connection points of the first and second semiconductor switching elements T1 and T2 and the connection points of the third and fourth semiconductor switching elements T3 and T4.
  • the connection points of the second and third semiconductor switching elements T2 and T3 serve as output terminals of the first unit 1.
  • the fifth to eighth semiconductor switching elements T5 to T8 are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC voltage source DC.
  • the second flying capacitor FC2 is connected between the connection points of the fifth and sixth semiconductor switching elements T5 and T6 and the connection points of the seventh and eighth semiconductor switching elements T7 and T8.
  • the connection points of the sixth and seventh semiconductor switching elements T6 and T7 serve as output terminals of the second unit.
  • One ends of the first and second filter reactors L1 and L2 are connected to the output terminals of the first unit 1 and the second unit 2, respectively.
  • a filter capacitor C2 is connected between the other ends of the first and second filter reactors L1 and L2.
  • a power storage device C3 is connected in parallel to the filter capacitor C2.
  • a switch SW is connected between the filter capacitor C2 and the power storage device C3.
  • the filter capacitor voltage command value Vc * of the filter capacitor C2 is set so as to match the voltage value of the power storage device C3.
  • Vc * ⁇ 0.
  • Vc indicates the filter capacitor voltage
  • Vfc1 indicates the first flying capacitor voltage
  • Vfc2 indicates the second flying capacitor voltage
  • Vdc indicates the DC voltage source voltage
  • the switching pattern shown in FIG. 8 is used for No. 1 in Table 1, and the switching pattern shown in FIG. 9 is used for No. 2.
  • the circles indicate that the semiconductor switching element is in the ON state.
  • the broken line represents the current direction, and the arrow direction is positive.
  • the current flows in the path of DC ⁇ T1 ⁇ FC1 ⁇ T3 ⁇ L1 ⁇ C2 ⁇ L2 ⁇ T6 ⁇ FC2 ⁇ T8.
  • the current flows in the path of DC ⁇ T5 ⁇ FC2 ⁇ T7 ⁇ L2 ⁇ C2 ⁇ L1 ⁇ T2 ⁇ FC1 ⁇ T4.
  • conditional expression of (1) above is not satisfied, or when the conditional expression of (1) above is satisfied but the selection conditions of Table 1 are not satisfied, and the conditional expression of (2) below is satisfied. That is, only one of the first and second flying capacitors FC1 and FC2 needs to be charged, or the voltages of the first and second flying capacitors FC1 and FC2 and the filter capacitor C2 do not reach the command value. However, if the total voltage of the first and second flying capacitors FC1 and FC2 and the filter capacitor C2 is higher than the DC voltage Vdc and the first and second flying capacitors FC1 and FC2 cannot be charged at the same time, the DC voltage source DC, Alternatively, the filter capacitor C2 is charged from the first flying capacitor FC1 or the second flying capacitor FC2, whichever has the lower voltage value.
  • the switching pattern turns each semiconductor switching element on / off according to Table 2.
  • FIG. 10 for No. 3 in Table 2
  • FIG. 11 for No. 4, FIG. 12 for No. 5, FIG. 13 for No. 6, FIG. 14 for No. 7, and FIG. 15 for No. 8. ..
  • circles indicate that the semiconductor switching element is in the on state.
  • the broken line represents the current direction, and the arrow direction is positive.
  • the first flying capacitor FC1 or the second flying capacitor FC2 is charged, the filter capacitor C2 is charged at No4 and No7 in Table 2, and discharged at No3, No5, No6, and No8.
  • the switching pattern turns each semiconductor switching element on / off according to Table 3.
  • FIG. 16 for No. 9 in Table 3, FIG. 17 for No. 10, and FIG. 18 for No. 11.
  • circles indicate that the semiconductor switching element is in the ON state.
  • the broken line represents the current direction, and the arrow direction is positive.
  • the filter capacitor C2 is charged, and No. 9 (FIG. 16) in Table 3 discharges the first flying capacitor FC1 and No. 10 (FIG. 17) discharges the second flying capacitor FC2.
  • the on-time of the semiconductor switching element should be short (about 10 ⁇ s) because the device may be damaged due to overcurrent depending on the value of the filter reactor.
  • first flying capacitor voltage Vfc1 and the second flying capacitor voltage Vfc2 are within the range of E / 2 ⁇ tolerance, and the filter capacitor voltage Vc is within the range of the filter capacitor voltage command value Vc * ⁇ tolerance, once , Turn off all the semiconductor switching elements and finish charging.
  • the fifth embodiment after the first and second flying capacitor voltages Vfc1 and Vfc2 are established at E / 2, power can be supplied to a load such as the power storage device C3. As a result, the output voltage and waveform distortion are reduced, and a highly accurate voltage can be applied to the load from the initial state of load feeding. Further, since the filter capacitor voltage Vc matches the voltage value of the power storage device C3, unnecessary inrush current when the switch SW is turned on is reduced.
  • FIG. 19 shows the configuration of the FC type 3-level power converter (FC-type 3-level converter) of the sixth embodiment.
  • the first and second flying capacitors FC1 and FC2 and the first to eighth semiconductor switching elements T1 to T8 in FIG. 7 are changed as shown in FIG. That is, by exchanging the first and second units 1 and 2, the equations (1), (2), (3) and Table 1, Table 2, and Table 3 of the fifth embodiment can be applied. The same effect as in 5 can be obtained.
  • N is set to 3.
  • each unit four semiconductor switching elements are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC voltage source DC.
  • a flying capacitor is connected between the connection point between the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element and the connection point between the third semiconductor switching element and the fourth semiconductor switching element.
  • One end of the 1st to Nth filter reactors is connected to the connection point between the 2nd semiconductor switching element and the 3rd semiconductor switching element of each unit.
  • a filter capacitor is connected between the other ends of the first to Nth filter reactors.
  • the unit with the lowest flying capacitor voltage and the unit with the second lowest flying capacitor voltage are referred to as the first and second units 1 and 2.
  • the filter reactors having one end connected to the first and second units 1 and 2 are referred to as the first and second filter reactors L1 and L2.
  • Vc be the flying capacitor voltage of the filter capacitor C connected between the other ends of the first and second filter reactors L1 and L2.
  • the DC voltage source DC may be a DC power supply or a DC capacitor.

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Abstract

フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａの１／２との比較、および、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとの比較、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとの比較、および、低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂまたは高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、第１～第４半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ４をＯＮまたはＯＦＦしてフィルタリアクトルＬを含む経路に電流を流し、フライングキャパシタＦＣおよび低圧側のフィルタコンデンサＣ２または高圧側のフィルタコンデンサＣ１を所定の値に充電する。これにより、ＦＣ型３レベル電力変換装置において、装置外部に電流を出力することなくフライングキャパシタとフィルタコンデンサの両方を充電する。

Description

ＦＣ型３レベル電力変換装置
　本発明は、フライングキャパシタ（ＦＣ）型３レベル電力変換装置において、フライングキャパシタおよびフィルタコンデンサの電圧制御に関する。
　図２１に特許文献１記載のＦＣ型３レベルチョッパ回路を示し、図２２に、複数のユニットを有し、差動出力可能なＦＣ型３レベル変換器の構成例を示す。本明細書では、図２１に示すようなＦＣ型３レベルチョッパ回路と、図２２に示すようなＦＣ型３レベル変換器を含めて、ＦＣ型３レベル電力変換装置と称する。
　ＦＣ型３レベル電力変換装置は２レベルに比べ出力電圧リプルが半分である。また、遮断電圧も半分であるため半導体スイッチング素子のスイッチング損失が減少し、スイッチング周波数を上げやすくなる。この特長は、高効率や高い応答速度、低リプルが要求される装置に適している。
　ＦＣ型３レベル電力変換装置を正常に動作させるためには、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ，Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２を直流電圧源電圧の半分に制御する必要がある。フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ，Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２にずれが生じると、一部の半導体スイッチング素子に過大な電圧がかかり、出力電圧に重畳するリプルが大きくなり出力電圧や出力電流の波形がひずみ、周囲の装置の誤動作やフィルタのリアクトル、フィルタコンデンサおよびトランスの過熱といった問題が発生する。
　特許文献２，３にはＦＣ型３レベルインバータ向けのＦＣ電圧制御法が開示されており、ＦＣ型３レベルチョッパ回路にもそのまま適用することができる。
　差動出力可能なＬＣフィルタを有するＦＣ型３レベル変換器は、直流電圧源電圧ＶｄｃをＥとしたとき、第１～第８半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ８のオンまたはオフの動作によって、第１，第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１、Ｖｆｃ２をＥ／２（Ｖｄｃの半分）に制御しつつ、３レベルの電圧（Ｅ，Ｅ／２，０）を第２，第３半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３の接続点、第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７の接続点より出力して負荷に印加する。
　ＦＣ型３レベル変換器の詳細は、一般文献や特許文献５に開示されている。
　特許文献２，３を用いてフライングキャパシタ電圧を制御するためには、装置が電流を出力している必要がある。そのため、装置が停止している間は自然放電によりフライングキャパシタ電圧が減少してしまう。また、運転前にあらかじめフライングキャパシタ電圧を直流電圧の半分程度に充電する手段が別途必要になる。
　また、一般的な電力変換装置にはスイッチングリプルの除去を目的としてフィルタコンデンサが接続されている。例えば装置にバッテリーを接続する場合、バッテリーからフィルタコンデンサに突入電流が流れてしまう。これを防止するため、あらかじめフィルタコンデンサをバッテリーと同じ電圧に充電する必要がある。特許文献４ではフィルタコンデンサの接続を想定していないため、フィルタコンデンサの充電を行うことができない。
　以上示したようなことから、ＦＣ型３レベル電力変換装置において、装置外部に電流を出力することなくフライングキャパシタとフィルタコンデンサの両方を充電することが課題となる。
特公平６－６７１８１号公報 特許第３３０１７６１号 特開２０１８－１２９９６８号公報 特開２０１５－２１６７９０号公報 特開２０１７－１６３６２２号公報
　本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、高圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第１～第４半導体スイッチング素子と、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの負極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１～第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とする。
　また、他の態様として、高圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第４～第１半導体スイッチング素子と、前記第４，第３半導体スイッチング素子の接続点と前記第２，第１半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、前記第３，第２半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの正極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１～第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とする。
　また、他の態様として、直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第１～第４半導体スイッチング素子と、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第１フライングキャパシタと、を有する第１ユニットと、前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第５～第８半導体スイッチング素子と、前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記第７，第８半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第２フライングキャパシタと、を有する第２ユニットと、前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１フィルタリアクトルと、前記第６，第７半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第２フィルタリアクトルと、前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサと、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、第１，第２フライングキャパシタ電圧と直流電圧源電圧の１／２との比較、および、フィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧＋前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧－前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記第１，第２フライングキャパシタ電圧と前記フィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記第１フライングキャパシタ電圧と前記第２フライングキャパシタ電圧との比較に基づいて、前記第１～第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記第１，第２フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記第１，第２フライングキャパシタおよび前記フィルタコンデンサを所定の値に充電することを特徴とする。
　また、他の態様として、前記直流電圧源は前記高圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ＞Ｖｂ＋αの場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ≦Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊の場合は、前記第１～第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持することを特徴とする。
ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
　　　　Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
　　　　Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
　　　　Ｖｂ＊：低圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
　　　　α：所定値。
　また、他の態様として、前記直流電圧源は前記低圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊の場合は、前記第１～第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持し、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ＞Ｖａ＋αの場合は、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ≦Ｖａ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮし、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子をＯＦＦすることを特徴とする。
ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
　　　　Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
　　　　Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
　　　　Ｖａ＊：高圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
　　　　α：所定値。
　また、他の態様として、α＝０とすることを特徴とする。
　また、他の態様として、α＞０とすることを特徴とする。
　また、他の態様として、以下の（１）式に示す条件を満たす場合、以下の表１に示すスイッチングパターン、以下の（１）式に示す条件を満たさずまたは、以下の（１）式の条件および表１の選択条件の両方を同時に満たさず、かつ、以下の（２）式に示す条件を満たす場合、以下の表２に示すスイッチングパターン、以下の（１）式、（２）式に示す条件を満たさず、以下の（３）式に示す条件を満たす場合、以下の表３に示すスイッチングパターンで前記第１～第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦし、以下の（１）式～（３）式に示す条件をすべて満たさない場合、前記第１～第８半導体スイッチング素子をすべてＯＦＦすることを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
Ｖｆｃ１：第１フライングキャパシタ電圧
Ｖｆｃ２：第２フライングキャパシタ電圧
Ｖｄｃ：直流電圧源電圧
Ｖｃ：フィルタコンデンサ電圧
Ｖｃ＊：フィルタコンデンサ電圧指令値
Ｔ１～Ｔ８：第１～第８半導体スイッチング素子。
　また、他の態様として、前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された４つの半導体スイッチング素子と、１つ目の半導体スイッチング素子と２つ目の半導体スイッチング素子の接続点と３つ目の半導体スイッチング素子と４つ目の半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、をそれぞれ備えた第１～第Ｎユニット（Ｎ＝３以上の整数）と、各ユニットの２つ目の半導体スイッチング素子と３つ目の半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１～第Ｎリアクトルと、前記第１～第Ｎリアクトルの他端の間にそれぞれ接続されたフィルタコンデンサと、を備え、フライングキャパシタ電圧が最も低いユニットと、２番目に低いユニットを前記第１ユニット、前記第２ユニットとし、前記第１ユニット，第２ユニットに一端が接続されたフィルタリアクトルを第１，第２フィルタリアクトルとし、前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサのフィルタコンデンサ電圧をＶｃとすることを特徴とする。
　本発明によれば、ＦＣ型３レベル電力変換装置において、装置外部に電流を出力することなくフライングキャパシタとフィルタコンデンサの両方を充電することが可能となる。
実施形態１におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。 実施形態１における充電処理の手順を示すフローチャート。 各スイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態２におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。 実施形態２における充電処理の手順を示すフローチャート。 実施形態３におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。 実施形態５におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。 実施形態５（Ｎｏ１）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ２）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ３）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ４）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ５）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ６）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ７）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ８）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ９）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ１０）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態５（Ｎｏ１１）のスイッチングパターンにおける電流経路を示す図。 実施形態６におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。 実施形態７におけるＦＣ型３レベル電力変換装置を示す回路図。 従来のＦＣ型３レベルチョッパ回路を示す回路図。 従来のＦＣ型３レベル変換器を示す回路図。
　以下、本願発明におけるＦＣ型３レベル電力変換装置の実施形態１～７を図１～図２０に基づいて詳述する。
　［実施形態１］
　図１に本実施形態１におけるＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）の回路構成を示す。直流電圧源ＤＣには並列に高圧側のフィルタコンデンサＣ１が接続される。また、高圧側のフィルタコンデンサＣ１の正極と負極との間には、第１～第４半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ４が順次直列接続される。第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の接続点と第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４の接続点との間にフライングキャパシタＦＣが接続される。
　第２，第３半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３の接続点には、フィルタリアクトルＬの一端が接続される。フィルタリアクトルＬの他端と高圧側のフィルタコンデンサＣ１の負極との間には低圧側のフィルタコンデンサＣ２が接続される。フィルタリアクトルＬと低圧側のフィルタコンデンサＣ２の接続点、および、直流電圧源ＤＣの負極が出力端子となる。
　ここで、高圧側のフィルタコンデンサ電圧をＶａ、低圧側のフィルタコンデンサ電圧をＶｂ、フライングキャパシタ電圧をＶｆｃとする。本実施形態１では高圧側に直流電圧源ＤＣが接続され、直流電圧源ＤＣからフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電することを想定している。チョッパ回路とＬＣフィルタからなる電力変換装置と負荷は切り離された状態とする。
　図２は本実施形態１における充電処理の手順を示すフローチャートである。図２のフローチャートにおける判断では、条件を満たしていれば下に、条件を満たさなければ右に分岐する。本実施形態１では、判断における所定値α＝０とする。所定値αについては後述する。本実施形態１は以下の手順（Ｓ１～Ｓ１５）によりフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。
　Ｓ１において、直流電圧源電圧（＝高圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖａ，低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂ，フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを検出する。Ｓ２において、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと直流電圧源電圧（＝高圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖａの１／２であるＶａ／２を比較する。
　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、すなわち、フライングキャパシタＦＣを充電する必要がある場合、Ｓ３へ移行して低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｂ＊を比較する。
　Ｖｂ＜Ｖｂ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２の両方を充電する必要がある場合、Ｓ４へ移行して直流電圧源電圧（高圧側のフィルタコンデンサ電圧）ＶａとＶｆｃ＋Ｖｂを比較する。
　Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂの場合、Ｓ５へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮする。Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂの場合、Ｓ６へ移行し、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮした後、Ｓ５へ移行して第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦし第１半導体スイッチング素子Ｔ１のみをＯＮする。
　Ｓ３において、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣだけを充電する必要がある場合、Ｓ７へ移行して低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとフライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを比較する。
　Ｖｂ＞Ｖｆｃの場合、Ｓ８へ移行し、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮする。Ｖｂ≦Ｖｆｃの場合、Ｓ９へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３と第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮした後、Ｓ８へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＦＦし、第４半導体スイッチング素子Ｔ４のみをＯＮする。
　Ｓ２において、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、すなわち、フライングキャパシタＦＣの充電が不要の場合、Ｓ１０へ移行し、低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｂ＊を比較する。
　Ｖｂ＜Ｖｂ＊、すなわち、低圧側のフィルタコンデンサＣ２だけ充電する必要がある場合、Ｓ１１へ移行し、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂを比較する。
　Ｖｆｃ＞Ｖｂの場合、Ｓ１２へ移行して第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮする。Ｖｆｃ≦Ｖｂの場合、Ｓ１３へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮした後、Ｓ１２へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＦＦし、第２半導体スイッチング素子Ｔ２のみをＯＮする。
　Ｓ１０において、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣも低圧側のフィルタコンデンサＣ２も充電不要の場合、Ｓ１４へ移行し、第１～第４半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ４はＯＦＦを維持し、自然放電を促す。
　Ｓ１５では、すべての半導体スイッチング素子のゲートをＯＦＦする。ゲートＯＮ時間、または、待機時間は短時間（１０μｓ程度）を想定している。以上の動作を例えば１ｍｓ間隔など半導体スイッチング素子やフィルタリアクトルなどの熱責務が問題にならない頻度で運転開始まで繰り返す。
　図３に各スイッチングパターンにおける電流経路を示す。フライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を両方とも充電したい場合、Ｓ５において、第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮし、図３（ｂ）の経路（Ｃ１→Ｔ１→ＦＣ→Ｔ３→Ｌ→Ｃ２）で電流を流し、フライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。
　しかし、両方ともある程度充電が進んでいてＶｆｃ＋Ｖｂ≧Ｖａの場合は、第１半導体スイッチング素子Ｔ１だけをＯＮしても電流が流れない。この場合は、Ｓ６において、第２半導体スイッチング素子Ｔ２も合わせてＯＮして、図３（ａ）の経路（Ｃ１→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ→Ｃ２）で電流を流し、Ｓ５において、第２半導体スイッチング素子Ｔ２だけをＯＦＦして、図３（ｂ）の経路で電流を流す。
　低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂは十分でフライングキャパシタＦＣだけを充電したい場合、Ｖｂ＞Ｖｆｃならば、Ｓ８において、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮし、図３（ｄ）の経路（Ｃ２→Ｌ→Ｔ２→ＦＣ→Ｔ４）で電流を流し、低圧側のフィルタコンデンサＣ２からフライングキャパシタＦＣへ充電する。
　Ｖｂ≦Ｖｆｃならば第４半導体スイッチング素子Ｔ４だけをＯＮしても電流は流れないため、Ｓ９において、第３半導体スイッチング素子Ｔ３も合わせてＯＮして、図３（ｃ）の経路（Ｃ２→Ｌ→Ｔ３→Ｔ４）で電流を流し、その後、Ｓ８において、第３半導体スイッチング素子Ｔ３だけをＯＦＦして図３（ｄ）の経路で電流を流す。
　フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃは十分で低圧側のフィルタコンデンサＣ２だけを充電したい場合、Ｖｆｃ＞Ｖｂならば、Ｓ１２において、第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮし、図３（ｅ）の経路（ＦＣ→Ｔ２→Ｌ→Ｃ２→Ｔ４）で電流を流し、フライングキャパシタＦＣから低圧側のフィルタコンデンサＣ２へ充電する。
　Ｖｆｃ≦Ｖｂならば第２半導体スイッチング素子Ｔ２だけをＯＮしても電流は流れないため、Ｓ１３において、第１半導体スイッチング素子Ｔ１も合わせてＯＮして図３（ａ）の経路（Ｃ１→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ→Ｃ２）で電流を流し、その後、Ｓ１２において、第１半導体スイッチング素子Ｔ１だけをＯＦＦして図３（ｅ）の経路で電流を流す。
　フライングキャパシタＦＣも低圧側のフィルタコンデンサＣ２も電圧が十分高い場合は、Ｓ１４において、すべての半導体スイッチング素子のゲートのＯＦＦを維持し、自然放電を促しつつ待機する（Ｓ１４）。
　以上を一定の周期で繰り返し行うことで、フライングキャパシタ電圧ＶｆｃをＶａ／２に、低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂをフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｂ＊に充電することができる。
　以上示したように、本実施形態１によれば、ＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）において高圧側からフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電することができる。
　負荷を切り離した状態で充電することができるため、負荷に電流を流す必要がなく、負荷接続時の突入電流を防止することができる。負荷を接続した状態で本実施形態１を適用することもでき、ゲートＯＮ時間を短くすることにより負荷に流れる電流を最小限にすることができる。
　本実施形態１は別途予備充電回路を用意することなくフライングキャパシタＦＣと低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電することができる。
　［実施形態２］
　図４に本実施形態２におけるＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）の回路構成を示す。本実施形態２では低圧側のフィルタコンデンサＣ２に対して直流電圧源ＤＣが並列接続され、高圧側のフィルタコンデンサＣ１に並列接続された直流電圧源ＤＣが削除されている。その他は実施形態１（図１）と同様である。本実施形態２では、直流電圧源ＤＣからフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電することを想定している。本実施形態２においても負荷は切り離された状態とする。
　図５に本実施形態２のフローチャートを示す。本実施形態２においても、判断における所定値α＝０とする。本実施形態２は以下の手順（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４～Ｓ９，Ｓ１４～Ｓ２０）によりフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電する。
　Ｓ１において、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａ，直流電圧源電圧（＝低圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖｂ，フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを検出する。Ｓ２において、フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃと高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａの１／２であるＶａ／２を比較する。
　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２の場合、すなわち、フライングキャパシタＦＣを充電する必要がある場合、Ｓ１６へ移行し、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖａ＊を比較する。
　Ｖａ＞Ｖａ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣだけを充電する必要がある場合、Ｓ４へ移行して高圧側のフィルタコンデンサ電圧ＶａとＶｆｃ＋Ｖｂを比較する。Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂならば、Ｓ５へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮする。
　Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂの場合、Ｓ６へ移行して第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮした後、Ｓ５へ移行して第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦし第１半導体スイッチング素子Ｔ１のみをＯＮする。
　Ｖａ≦Ｖａ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１の両方を充電する必要がある場合、Ｓ７へ移行して直流電圧源電圧（＝低圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖｂとフライングキャパシタ電圧Ｖｆｃを比較する。
　Ｖｂ＞Ｖｆｃの場合、Ｓ８へ移行して第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮする。Ｖｂ≦Ｖｆｃの場合、Ｓ９へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３と第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮした後、Ｓ８へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＦＦし第４半導体スイッチング素子Ｔ４のみをＯＮする。
　Ｓ２において、Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、すなわち、フライングキャパシタＦＣの充電が不要ならば、Ｓ１７へ移行し、高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａとフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖａ＊を比較する。Ｖａ＞Ｖａ＊、すなわち、フライングキャパシタＦＣも高圧側のフィルタコンデンサＣ１も充電不要ならば、Ｓ１４へ移行して、第１～第４半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ４はＯＦＦを維持し、自然放電を促す。
　Ｖａ≦Ｖａ＊、すなわち、高圧側のフィルタコンデンサＣ１だけ充電する必要がある場合、Ｓ１８へ移行してＶｆｃ＋Ｖｂと高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａを比較する。
　Ｖｆｃ＋Ｖｂ＞Ｖａの場合、Ｓ１９へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＮする。Ｖｆｃ＋Ｖｂ≦Ｖａの場合、Ｓ２０へ移行して第３半導体スイッチング素子Ｔ３と第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮした後、Ｓ１９へ移行して第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＦＦし第３半導体スイッチング素子Ｔ３のみをＯＮする。
　最後に、Ｓ１５へ移行してすべての半導体スイッチング素子のゲートをＯＦＦする。
　本実施形態２もゲートＯＮ時間または待機時間は短時間（１０μｓ程度）を想定している。以上の動作を運転開始まで繰り返す。本実施形態２では、予備充電回路などを用いて高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａをあらかじめ直流電圧源電圧（低圧側のフィルタコンデンサ電圧）Ｖｂまで充電する必要がある。
　本実施形態２でのスイッチングパターン選択条件として、実施形態１におけるＳ３，Ｓ１０の「Ｖｂ＜Ｖｂ＊（低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電したい場合）」をＳ１６，Ｓ１７において、「Ｖａ＞Ｖａ＊（高圧側のフィルタコンデンサＣ１を放電したい場合）」に置き換えればよい。すなわち、図５のフローチャートにおいて、２番目の判断において不等号の向きを変えればよい。
　ただし、実施形態１における「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃもフィルタコンデンサ電圧Ｖｂも十分高い場合（Ｓ１４）」は本実施形態２において「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃは十分高いが高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａは充電が必要（Ｓ１８）」に相当する。そのため、Ｓ１９において、第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＮして図３（ｆ）の経路（Ｃ２→Ｌ→Ｔ３→ＦＣ→Ｔ１→Ｃ１）で電流を流し、高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電する。Ｖａ≧Ｖｆｃ＋Ｖｂで第３半導体スイッチング素子Ｔ３だけをＯＮしても電流が流れない場合は、Ｓ２０において、第４半導体スイッチング素子Ｔ４もＯＮして図３（ｃ）の経路で電流を流し、その後、Ｓ１９において、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＦＦして電流経路を図３（ｆ）とする。
　一方、実施形態１における「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃは十分だが低圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖｂは充電が必要な場合（Ｓ１０でＹｅｓの場合）」は、本実施形態２において「フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃも高圧側のフィルタコンデンサ電圧Ｖａも十分高い場合（Ｓ１７でＹｅｓの場合）」に相当するため、すべての半導体スイッチング素子のゲートのＯＦＦを維持して自然放電を促しつつ待機する（Ｓ１４）。
　以上示したように、本実施形態２によれば、ＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）において、低圧側からフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１を充電することができる。その他の効果は実施形態１と同等だが、実施形態２では高圧側のフィルタコンデンサＣ１の予備充電回路が必要となる。なお、フライングキャパシタＦＣの予備充電回路は不要である。
　［実施形態３］
　図６に本実施形態３の回路構成を示す。本実施形態３は高圧側のフィルタコンデンサＣ１，低圧側のフィルタコンデンサＣ２の正極側を共通電位とした構成である。半導体スイッチング素子は、正極側から順に第４半導体スイッチング素子Ｔ４，第３半導体スイッチング素子Ｔ３，第２半導体スイッチング素子Ｔ２，第１半導体スイッチング素子Ｔ１とする。その他は実施形態１、または、実施形態２と同様である。
　高圧側のフィルタコンデンサＣ１に直流電圧源ＤＣが並列接続された場合、実施形態１と同じ手順でフライングキャパシタＦＣ、および、低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。低圧側のフィルタコンデンサＣ２に直流電圧源ＤＣが並列接続された場合、実施形態２と同じ手順でフライングキャパシタＦＣ、および、高圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電する。
　実施形態１，２では高圧側のフィルタコンデンサＣ１，低圧側のフィルタコンデンサＣ２の負極側を共通電位とした構成であった。しかし、図６に示すように正極側を共通電位とする回路構成も可能である。本実施形態３は半導体スイッチング素子の接続順を入れ替えることにより、図６の回路構成に対しても実施形態１，２と全く同じ手順でフライングキャパシタＦＣおよび高圧側のフィルタコンデンサＣ１、または、低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充放電することが可能となる。
　以上示したように、本実施形態３により、正極側を共通電位としたＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベルチョッパ回路）においても実施形態１，２と同様の効果を得ることができる。
　［実施形態４］
　本実施形態４では、図２，図５のフローチャートの電圧比較（Ｓ４，Ｓ７，Ｓ１１，Ｓ１８）において所定値α＞０とする。
　例えば、実施形態１においてＶｆｃ＜Ｖａ／２（フライングキャパシタＦＣを充電したい），Ｖｂ＜Ｖｂ＊（低圧側のフィルタコンデンサＣ２を充電したい）の場合、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂを満たすならば第１半導体スイッチング素子Ｔ１だけをＯＮする。
　しかし、両者の値が非常に近い場合、フィルタリアクトルＬに印加される電圧Ｖａ－Ｖｆｃ－Ｖｂ＞０は零よりも大きいが非常に小さくなり、充電電流は流れるが充電に時間がかかってしまう。これを防ぐため所定値α＞０を設定する。フィルタリアクトルＬに印加される電圧Ｖａ－Ｖｆｃ－Ｖｂを所定値αよりも確実に大きくすることができる。
　またＶａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αを満たさない場合は、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第２半導体スイッチング素子Ｔ２をあわせてＯＮすることでフィルタリアクトルＬに印加する電圧はＶａ－Ｖｂとなり、大きな充電電流を流し充電時間を短くすることができる。
　所定値αの値の目安としては、フィルタリアクトルＬの大きさにもよるが高圧側のフィルタコンデンサ電圧の定格値（耐圧値）の１０％～３０％程度となる。所定値αの値を可変にし、装置の立ち上げ直後は所定値αを大きくして充電完了までの時間を短縮し、いったんフライングキャパシタＦＣと高圧側のフィルタコンデンサＣ１または低圧側のフィルタコンデンサＣ２の充電が完了したら所定値αを小さくすることで充電電流を小さくし電圧制御の精度を向上し装置部品の熱責務を低減することもできる。
　以上示したように、本実施形態４によれば、フライングキャパシタＦＣおよびフィルタコンデンサＣの充電にかかる時間を短くすることができる。
　［実施形態５］
　実施形態５～７は、差動出力可能なＬＣフィルタを有するＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）において、「待機中」に直流電圧源ＤＣや第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２、フィルタコンデンサＣ２の充電状態に応じて、半導体スイッチング素子をオン／オフさせることにより、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２やフィルタコンデンサＣ２の充電および充電状態を維持する方法を説明する。
　図７に本実施形態５におけるＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）の概略図を示す。図７では、負荷を蓄電装置Ｃ３としている。まず、図７に示すＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）について説明する。
　図７に示すように、直流電圧源ＤＣには第１ユニット１と第２ユニット２が接続される。第１ユニット１は、直流電圧源ＤＣの正極と負極との間に第１～第４半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ４が順次直列接続される。第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の接続点と第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４の接続点との間に第１フライングキャパシタＦＣ１が接続される。第２，第３半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３の接続点が第１ユニット１の出力端子となる。
　第２ユニット２は、直流電圧源ＤＣの正極と負極との間に第５～第８半導体スイッチング素子Ｔ５～Ｔ８が順次直列接続される。第５，第６半導体スイッチング素子Ｔ５，Ｔ６の接続点と第７，第８半導体スイッチング素子Ｔ７，Ｔ８の接続点との間に第２フライングキャパシタＦＣ２が接続される。第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７の接続点が第２ユニットの出力端子となる。
　第１ユニット１と第２ユニット２の出力端子には、それぞれ第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２の一端が接続される。第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２の他端の間にはフィルタコンデンサＣ２が接続される。フィルタコンデンサＣ２には蓄電装置Ｃ３が並列接続される。フィルタコンデンサＣ２と蓄電装置Ｃ３の間にはスイッチＳＷが接続される。
　各半導体スイッチング素子がすべてオフの状態のときに、スイッチＳＷを開いて、ＦＣ型３レベル電力変換装置と蓄電装置Ｃ３を切り離しておく。フィルタコンデンサＣ２のフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＊は、蓄電装置Ｃ３の電圧値と一致するように設定する。なお、本実施形態５では、Ｖｃ＊≧０とする。
　次に、以下の（１）式の条件式を満たす場合、すなわち第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の充電がそれぞれ必要ならば、直流電圧源ＤＣから、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を同時に充電する。スイッチングパターンは、以下の表１に従って、各半導体スイッチング素子をオン／オフさせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
　表１において、Ｖｃはフィルタコンデンサ電圧、Ｖｆｃ１は第１フライングキャパシタ電圧、Ｖｆｃ２は第２フライングキャパシタ電圧、Ｖｄｃは直流電圧源電圧を示す。
　表１のＮｏ１の時は図８に示すスイッチングパターンとなり、Ｎｏ２の時は図９に示すスイッチングパターンとなる。図８，図９に示すように、丸印は半導体スイッチング素子がオン状態中を示している。破線は電流方向を表し、矢印方向を正とする。
　図８の場合、ＤＣ→Ｔ１→ＦＣ１→Ｔ３→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ６→ＦＣ２→Ｔ８の経路で電流が流れる。図９の場合、ＤＣ→Ｔ５→ＦＣ２→Ｔ７→Ｌ２→Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→ＦＣ１→Ｔ４の経路で電流が流れる。
　これにより、第１フライングキャパシタＦＣ１および第２フライングキャパシタＦＣ２は充電され、フィルタコンデンサＣ２は表１のＮｏ１（図８）では充電、Ｎｏ２（図９）では放電される。
　上記（１）の条件式が満たしていない場合、または上記（１）の条件式を満たしているが表１の選択条件を満たしていない場合、かつ、以下の（２）の条件式を満たす場合、すなわち第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２のうち何れか一方のみ充電が必要であるか、または、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２およびフィルタコンデンサＣ２の電圧が指令値には満たないが、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２およびフィルタコンデンサＣ２の電圧の合計が直流電圧Ｖｄｃより高いために第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を同時に充電できないならば、直流電圧源ＤＣ、または、フィルタコンデンサＣ２から、第１フライングキャパシタＦＣ１、または、第２フライングキャパシタＦＣ２のいずれか電圧値が低い方を充電する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　スイッチングパターンは、表２に従って、各半導体スイッチング素子をオン／オフさせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　表２のＮｏ３の時は図１０、Ｎｏ４の時は図１１、Ｎｏ５の時は図１２、Ｎｏ６の時は図１３、Ｎｏ７の時は図１４、Ｎｏ８の時は図１５に示すスイッチングパターンとなる。図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５に示すように、丸印は半導体スイッチング素子がオン状態中を示している。破線は電流方向を表し、矢印方向を正とする。
　図１０の場合、Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→ＦＣ１→Ｔ４→Ｔ８→Ｔ７→Ｌ２の経路で電流が流れる。図１１の場合、ＤＣ→Ｔ１→ＦＣ１→Ｔ３→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７→Ｔ８の経路で電流が流れる。図１２の場合、ＤＣ→Ｔ５→Ｔ６→Ｌ２→Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→ＦＣ１→Ｔ４の経路で電流が流れる。図１３の場合、Ｃ２→Ｌ１→Ｔ２→Ｔ１→Ｔ５→ＦＣ２→Ｔ７→Ｌ２の経路で電流が流れる。図１４の場合、ＤＣ→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ６→ＦＣ２→Ｔ８の経路で電流が流れる。図１５の場合、ＤＣ→Ｔ５→ＦＣ２→Ｔ７→Ｌ２→Ｃ２→Ｌ１→Ｔ３→Ｔ４の経路で電流が流れる。
　第１フライングキャパシタＦＣ１、または、第２フライングキャパシタＦＣ２は充電され、フィルタコンデンサＣ２は表２のＮｏ４、Ｎｏ７では充電、Ｎｏ３、Ｎｏ５、Ｎｏ６、Ｎｏ８では放電される。
　（１）の条件式および（２）の条件式を満たしておらず、かつ、以下の（３）式の条件式を満たす場合、すなわち、第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の両方が充電されており、フィルタコンデンサＣ２の充電が必要ならば、直流電圧源ＤＣまたは、第１フライングキャパシタＦＣ１または第２フライングキャパシタＦＣ２のいずれか電圧値が高い方から、フィルタコンデンサＣ２を充電する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　スイッチングパターンは、表３に従って、各半導体スイッチング素子をオン／オフさせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000018
　表３のＮｏ９の時は図１６、Ｎｏ１０の時は図１７、Ｎｏ１１の時は図１８に示すスイッチングパターンとなる。図１６，図１７，図１８に示すように、丸印は半導体スイッチング素子がオン状態中を示している。破線は電流方向を表し、矢印方向を正とする。
　図１６の場合、ＦＣ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７→Ｔ８→Ｔ４の経路で電流が流れる。図１７の場合、ＦＣ２→Ｔ５→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７の経路で電流が流れる。図１８の場合、ＤＣ→Ｔ１→Ｔ２→Ｌ１→Ｃ２→Ｌ２→Ｔ７→Ｔ８の経路で電流が流れる。
　フィルタコンデンサＣ２は充電され、表３のＮｏ９（図１６）では第１フライングキャパシタＦＣ１を放電、Ｎｏ１０（図１７）では第２フライングキャパシタＦＣ２を放電する。
　上述した（１）式および（２）式および（３）式を満たさない場合は、一旦、半導体スイッチング素子をすべてオフして、待機中とし、ＦＣ型３レベル電力変換装置のインピーダンスで自然放電させる、または外部回路などで放電を行う。
　また、半導体スイッチング素子のオン時間は、フィルタリアクトルの値によって、過電流による装置の破損が起こる可能性があるため、オン時間は短時間（１０μｓ程度）とする。
　第１フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１および第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ２がＥ／２±許容誤差の範囲内であり、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃがフィルタコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＊±許容誤差の範囲内であった場合、一旦、半導体スイッチング素子をすべてオフして、充電を終了する。
　その後、スイッチＳＷをオンしてＦＣ型３レベル電力変換装置と蓄電装置Ｃ３を接続した後に、従来技術と同様に給電を行う。この時、第１フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１および第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ２の電圧はＥ／２に充電されており、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは蓄電装置Ｃ３の電圧値と一致するため、スイッチＳＷ投入時の突入電流が軽減される。また、給電の初期状態から（Ｅ，Ｅ／２，０）の負荷電圧を確立することができる。
　本実施形態５では、第１，第２フライングキャパシタ電圧Ｖｆｃ１，Ｖｆｃ２をＥ／２に確立してから、蓄電装置Ｃ３などの負荷へ給電できる。これにより、出力電圧や波形ひずみが軽減され、負荷給電の初期状態から高精度の電圧を負荷へ印加できるようになる。また、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは蓄電装置Ｃ３の電圧値と一致するため、スイッチＳＷ投入時の不要な突入電流が軽減される。
　［実施形態６］
　本実施形態６では、Ｖｃ＊＜０とした場合、すなわちフィルタコンデンサＣ２の充電方向を実施形態５の逆としたものである。本実施形態６のＦＣ型３レベル電力変換装置（ＦＣ型３レベル変換器）の構成を図１９に示す。図７の第１，第２フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２および第１～第８半導体スイッチング素子Ｔ１～Ｔ８を図１９のように変更する。すなわち、第１，第２ユニット１，２を交換することにより、実施形態５の（１）式、（２）式、（３）式および表１、表２、表３が適用でき、実施形態５と同様の効果が得られる。
　［実施形態７］
　本実施形態７では、ＬＣフィルタを有するＦＣ型３レベル電力変換装置のユニットの直列数をＮ（Ｎ＝３以上の整数）に拡張したものである。本実施形態７では、図２０に示すように、Ｎを３とした構成としている。
　各ユニットは、直流電圧源ＤＣの正極と負極との間に４つの半導体スイッチング素子が直列接続される。１つ目の半導体スイッチング素子と２つ目の半導体スイッチング素子の接続点と３つ目の半導体スイッチング素子と４つ目の半導体スイッチング素子の接続点との間にフライングキャパシタが接続される。
　各ユニットの２つ目の半導体スイッチング素子と３つ目の半導体スイッチング素子の接続点に第１～第Ｎフィルタリアクトルの一端がそれぞれ接続される。第１～第Ｎフィルタリアクトルの他端の間にそれぞれフィルタコンデンサが接続される。
　フライングキャパシタ電圧の最も低いユニットと２番目に低いユニットを第１，第２ユニット１，２とする。また、第１，第２ユニット１，２に一端が接続されたフィルタリアクトルを第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２とする。第１，第２フィルタリアクトルＬ１，Ｌ２の他端間に接続されたフィルタコンデンサＣのフライングキャパシタ電圧をＶｃとする。そして、実施形態５の（１）式、（２）式、（３）式および表１、表２、表３を適用することで、実施形態５と同様の効果が得られる。
　以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
　なお、直流電圧源ＤＣは、直流電源としても良く、直流コンデンサとしても良い。

Claims (9)

  1. 　高圧側のフィルタコンデンサと、
    　前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第１～第４半導体スイッチング素子と、
    　前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、
    　前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、
    　前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの負極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、
    　前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、
    　フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１～第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電するＦＣ型３レベル電力変換装置。
  2. 　高圧側のフィルタコンデンサと、
    　前記高圧側のフィルタコンデンサの正極と負極との間に順次直列接続された第４～第１半導体スイッチング素子と、
    　前記第４，第３半導体スイッチング素子の接続点と前記第２，第１半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、
    　前記第３，第２半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続されたフィルタリアクトルと、
    　前記フィルタリアクトルの他端と前記高圧側のフィルタコンデンサの正極との間に接続された低圧側のフィルタコンデンサと、
    　前記高圧側のフィルタコンデンサ、または、前記低圧側のフィルタコンデンサに対して並列接続された直流電圧源と、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、
    　フライングキャパシタ電圧と高圧側のフィルタコンデンサ電圧の１／２との比較、および、前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧と前記フライングキャパシタ電圧＋低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、前記フライングキャパシタ電圧と前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記低圧側のフィルタコンデンサ電圧または前記高圧側のフィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、に基づいて、前記第１～第４半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記フライングキャパシタおよび前記低圧側のフィルタコンデンサまたは前記高圧側のフィルタコンデンサを所定の値に充電するＦＣ型３レベル電力変換装置。
  3. 　直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第１～第４半導体スイッチング素子と、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第１フライングキャパシタと、を有する第１ユニットと、
    　前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された第５～第８半導体スイッチング素子と、前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記第７，第８半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された第２フライングキャパシタと、を有する第２ユニットと、
    　前記第２，第３半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１フィルタリアクトルと、
    　前記第６，第７半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第２フィルタリアクトルと、
    　前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサと、を備えたＦＣ型３レベル電力変換装置であって、
    　第１，第２フライングキャパシタ電圧と直流電圧源電圧の１／２との比較、および、フィルタコンデンサ電圧とフィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧＋前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記直流電圧源電圧と前記第１フライングキャパシタ電圧＋前記第２フライングキャパシタ電圧－前記フィルタコンデンサ電圧指令値との比較、および、前記第１，第２フライングキャパシタ電圧と前記フィルタコンデンサ電圧との比較、および、前記第１フライングキャパシタ電圧と前記第２フライングキャパシタ電圧との比較に基づいて、前記第１～第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦして前記第１，第２フィルタリアクトルを含む経路に電流を流し、前記第１，第２フライングキャパシタおよび前記フィルタコンデンサを所定の値に充電するＦＣ型３レベル電力変換装置。
  4. 　前記直流電圧源は前記高圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ＞Ｖｂ＋αの場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ＜Ｖｂ＊、かつ、Ｖｆｃ≦Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖｂ≧Ｖｂ＊の場合は、前記第１～第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持する請求項１または２記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
    ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
    　　　　Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
    　　　　Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
    　　　　Ｖｂ＊：低圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
    　　　　α：所定値
  5. 　前記直流電圧源は前記低圧側のフィルタコンデンサに並列接続されており、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ＞Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊、かつ、Ｖａ≦Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋αの場合は、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦした後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第２，第３，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ＞Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ＜Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｂ≦Ｖｆｃ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第３半導体スイッチング素子をＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ＞Ｖａ＊の場合は、前記第１～第４半導体スイッチング素子のＯＦＦ状態を維持し、
    　Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ＞Ｖａ＋αの場合は、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子はＯＦＦし、
    　Ｖｆｃ≧Ｖａ／２、かつ、Ｖａ≦Ｖａ＊、かつ、Ｖｆｃ＋Ｖｂ≦Ｖａ＋αの場合は、前記第３，第４半導体スイッチング素子をＯＮし、前記第１，第２半導体スイッチング素子をＯＦＦした後、前記第３半導体スイッチング素子をＯＮ、前記第１，第２，第４半導体スイッチング素子をＯＦＦする請求項１または２記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
    ただし、Ｖｆｃ：フライングキャパシタ電圧
    　　　　Ｖａ：高圧側のフィルタコンデンサ電圧
    　　　　Ｖｂ：低圧側のフィルタコンデンサ電圧
    　　　　Ｖａ＊：高圧側のフィルタコンデンサ電圧指令値
    　　　　α：所定値
  6. 　α＝０とする請求項４または５記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
  7. 　α＞０とする請求項４または５記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
  8. 　以下の（１）式に示す条件を満たす場合、以下の表１に示すスイッチングパターン、以下の（１）式に示す条件を満たさずまたは、以下の（１）式の条件および表１の選択条件の両方を同時に満たさず、かつ、以下の（２）式に示す条件を満たす場合、以下の表２に示すスイッチングパターン、以下の（１）式、（２）式に示す条件を満たさず、以下の（３）式に示す条件を満たす場合、以下の表３に示すスイッチングパターンで前記第１～第８半導体スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦし、
    　以下の（１）式～（３）式に示す条件をすべて満たさない場合、前記第１～第８半導体スイッチング素子をすべてＯＦＦする請求項３記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
    Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
     Ｖｆｃ１：第１フライングキャパシタ電圧
    Ｖｆｃ２：第２フライングキャパシタ電圧
    Ｖｄｃ：直流電圧源電圧
    Ｖｃ：フィルタコンデンサ電圧
    Ｖｃ＊：フィルタコンデンサ電圧指令値
    Ｔ１～Ｔ８：第１～第８半導体スイッチング素子
  9. 　前記直流電圧源の正極と負極との間に順次直列接続された４つの半導体スイッチング素子と、１つ目の半導体スイッチング素子と２つ目の半導体スイッチング素子の接続点と３つ目の半導体スイッチング素子と４つ目の半導体スイッチング素子の接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、をそれぞれ備えた第１～第Ｎユニット（Ｎ＝３以上の整数）と、
    　各ユニットの２つ目の半導体スイッチング素子と３つ目の半導体スイッチング素子の接続点に一端が接続された第１～第Ｎリアクトルと、
    　前記第１～第Ｎリアクトルの他端の間にそれぞれ接続されたフィルタコンデンサと、を備え、
    　フライングキャパシタ電圧が最も低いユニットと、２番目に低いユニットを前記第１ユニット、前記第２ユニットとし、前記第１ユニット，第２ユニットに一端が接続されたフィルタリアクトルを第１，第２フィルタリアクトルとし、前記第１，第２フィルタリアクトルの他端の間に接続されたフィルタコンデンサのフィルタコンデンサ電圧をＶｃとする請求項８記載のＦＣ型３レベル電力変換装置。
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