JP3386308B2

JP3386308B2 - ３レベル電力変換装置

Info

Publication number: JP3386308B2
Application number: JP03173196A
Authority: JP
Inventors: 康松本; 千春大澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 2003-03-17
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: JPH09233850A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各相毎に３レベ
ルの電圧を出力する電力変換装置（以下、３レベル電力
変換装置ともいう）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４はこの種の３レベル電力変換装置
の従来例を示す主回路構成図である。同図からも明らか
なように、３レベル電力変換装置の１相分は電力用半導
体スイッチ１（１ａ〜１ｄ：以下、単にスイッチともい
う）、ダイオード２（２ａ〜２ｆ）、コンデンサ３（３
ａ，３ｂ）、負荷４および直流電源５（５ａ，５ｂ）等
から構成される。図１４の動作について図１５，１６，
１７，１８，１９および２０を参照して説明する。図１
４の主回路は図１５のスイッチングパターン１のよう
に、スイッチ１ａとスイッチ１ｂとをオンすることで正
の直流電圧を出力することができ、また、スイッチング
パターン２のように、スイッチ１ｂとスイッチ１ｃとを
オンすることで零電圧を出力することができ、さらに
は、スイッチングパターン３のように、スイッチ１ｃと
スイッチ１ｄとをオンすることで負の電圧を出力するこ
とができる。なお、かかるスイッチングパターンでは、
オンのスイッチには丸印を付して示している。

【０００３】従来例では、図１６に示すような大小判定
手段１１により、搬送波Ｖｓと２組の信号波Ｖａｃ^*と
Ｖｂｄ^*（Ｖａｃ^*＜Ｖｂｄ^*）との大小関係を比較
し、図１７の波形図に示す如く搬送波ＶｓがＶａｃ^*以
上のときはスイッチ１ｃをオン、信号波Ｖａｃ^*が搬送
波Ｖｓよりも大きいときはスイッチ１ａをオン、搬送波
Ｖｓの方が信号波Ｖｂｄ^*よりも大きいときはスイッチ
１ｄをオン、信号波Ｖｂｄ^*が搬送波Ｖｓ以上のときは
スイッチ１ｂをオンにする信号Ｐ_1a’，Ｐ_1b’，
Ｐ_1c’，Ｐ_1d’をそれぞれ生成する。これらのオン信号
Ｐ_1a’，Ｐ_1b’，Ｐ_1c’，Ｐ_1d’どおりにスイッチをオ
ンにすることで、上記３つのスイッチングパターンの期
間を制御し、負荷側に信号波Ｖａｃ^*とＶｂｄ^*との和
に比例する電圧Ｖ _L（基本波成分）を出力する。

【０００４】ところで、スイッチはオフ状態からオン状
態へ移行するときよりも、オン状態からオフ状態へ移行
するときの方が時間を要するので、スイッチングパター
ン１からスイッチングパターン２へ移行する際に、図１
７の如くスイッチ１ａにオフ指令を与えるのと同時にス
イッチ１ｃにオン指令を与えると、スイッチ１ａとスイ
ッチ１ｃがともにオンする期間が存在する。同様に、ス
イッチングパターン２からスイッチングパターン１へ移
行する際に、スイッチ１ｃにオフ指令を与えるのと同時
にスイッチ１ａにオン指令を与えると、スイッチ１ａと
スイッチ１ｃがともにオンする期間が存在する。

【０００５】スイッチングパターン１からスイッチング
パターン２へ、またはスイッチングパターン２からスイ
ッチングパターン１へ移行する際に、スイッチ１ａとス
イッチ１ｃが同時にオンすると、スイッチ１ａ，スイッ
チ１ｂ，スイッチ１ｃおよびダイオード２ｆでコンデン
サ３ａを短絡することになり、この短絡経路に流れる過
大な電流によりスイッチ，ダイオードおよびコンデンサ
を損傷するおそれがある。同様に、スイッチングパター
ン２からスイッチングパターン３、またはスイッチング
パターン３からスイッチングパターン２へ移行する際
に、スイッチ１ｂとスイッチ１ｄが同時にオンすると、
スイッチ１ｂ，スイッチ１ｃ，スイッチ１ｄおよびダイ
オード２ｅでコンデンサ３ｂを短絡することになり、こ
の短絡経路に流れる過大な電流によりスイッチ，ダイオ
ードおよびコンデンサを損傷するおそれが生じる。

【０００６】そこで、従来例では、図１６のようにオン
遅延手段１２（１２ａ〜１２ｄ）を設け、図１８に示す
ように、オン信号Ｐ_1a，Ｐ_1b，Ｐ_1c，Ｐ_1dの０から１に
変化するタイミングを一定期間Ｔｄだけ遅らせるように
している。すなわち、スイッチングパターン１からスイ
ッチングパターン２、およびスイッチングパターン２か
らスイッチングパターン１へ移行する際は、図１９に示
すようにスイッチ１ａとスイッチ１ｃをともにオフする
スイッチングパターン４と、スイッチングパターン２か
らスイッチングパターン３、およびスイッチングパター
ン３からスイッチングパターン２へ移行する際は、図２
０に示すようにスイッチ１ｂとスイッチ１ｄをともにオ
フするスイッチングパターン５とを設け、短絡を防止す
るようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のような制御方式
では、３レベル電力変換装置が直流分を含んだ電圧を出
力すると、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの充
放電量が異なるため、直流電圧を２分割する双方のコン
デンサ電圧に不均衡が生じる。直流側の電圧は直流電圧
源により一定に保たれるので、直流電圧を２分割する双
方のコンデンサ電圧の不均衡によりコンデンサに過電圧
が生じることがある。また、同一の型式のスイッチで
も、オンからオフおよびオフからオンへの移行に要する
時間や電圧降下分が異なり、同一の型式のコンデンサで
も容量が異なる。そのため、３レベル電力変換装置に直
流成分が含まれていない場合でも、直流電圧を２分割す
る双方のコンデンサ電圧に不均衡が生じ、コンデンサが
過電圧になることがある。したがって、この発明の課題
は、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの電圧を均
等に保つことができるようにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる問題を解決するた
め、請求項１の発明では、各相毎に３レベルの電圧を出
力する電力変換装置において、直流電圧を２分割する双
方のコンデンサの各端子電圧を検出する電圧検出手段
と、電力用半導体スイッチのスイッチングパターン切り
替え時における短絡防止期間の変化量を演算する変化量
演算手段とを設け、前記短絡防止期間を可変とするよう
にしている。請求項２の発明では、各相毎に３レベルの
電圧を出力する電力変換装置において、直流電圧を２分
割する双方のコンデンサの各端子電圧の差を検出する差
電圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイッチング
パターン切り替え時における短絡防止期間の変化量を演
算する変化量演算手段とを設け、前記短絡防止期間を可
変とするようにしている。

【０００９】請求項３の発明では、各相毎に３レベルの
電圧を出力する電力変換装置において、直流電圧を２分
割する双方のコンデンサの各端子電圧を検出する電圧検
出手段と、電力用半導体スイッチのスイッチングパター
ン切り替え時における短絡防止期間の変化量を演算する
変化量演算手段と、この短絡防止期間を延長する電力用
半導体スイッチを選択するスイッチ選択手段とを設ける
ようにしている。請求項４の発明では、各相毎に３レベ
ルの電圧を出力する電力変換装置において、直流電圧を
２分割する双方のコンデンサの各端子電圧を検出する電
圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイッチングパ
ターン切り替え時における短絡防止期間の変化量を演算
する変化量演算手段と、この短絡防止期間を短縮する電
力用半導体スイッチを選択するスイッチ選択手段とを設
けるようにしている。

【００１０】請求項５の発明では、各相毎に３レベルの
電圧を出力する電力変換装置において、直流電圧を２分
割する双方のコンデンサの各端子電圧の差を検出する差
電圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイッチング
パターン切り替え時における短絡防止期間の変化量を演
算する変化量演算手段と、この短絡防止期間を延長する
電力用半導体スイッチを選択するスイッチ選択手段とを
設けている。請求項６の発明では、各相毎に３レベルの
電圧を出力する電力変換装置において、直流電圧を２分
割する双方のコンデンサの各端子電圧の差を検出する差
電圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイッチング
パターン切り替え時における短絡防止期間の変化量を演
算する変化量演算手段と、この短絡防止期間を短縮する
電力用半導体スイッチを選択するスイッチ選択手段とを
設けている。

【００１１】請求項１ないし６のいずれかに記載の発明
では、前記短絡防止期間の変化量を、前記双方のコンデ
ンサの端子電圧の差に比例させることができ（請求項７
の発明）、前記双方のコンデンサの端子電圧の差が一定
値以下のときは、前記短絡防止期間の変化量を零とする
ことができ（請求項８の発明）、または、前記短絡防止
期間が一定値以下とならないように制限する下限値制限
手段を付加することができ（請求項９の発明）、もしく
は、前記短絡防止期間が基準値を越えないように制限す
る上限値制限手段を付加することができる（請求項１０
の発明）。

【００１２】ａ）請求項１〜３および５について電流が負荷側から３レベル電力変換装置に流れ込む向き
のときで（以下、電流が正のときという）、かつ、正の
電圧を出力する期間では、図１０に示すような転流のモ
ードを遷移する期間が存在する。モード１およびモード
２では、電流はダイオード２ｂおよびダイオード２ａを
経由して、直流正側に流れ込む。モード１とモード２の
違いは、図１０のスイッチに丸印を付して示すように、
モード１ではスイッチ１ａがオンしているのに対し、モ
ード２ではスイッチ１ａがオフしている点である。一
方、モード３では、電流はスイッチ１ｃおよびダイオー
ド２ｆを経由して、直流側の中性点に流れ込む。ここ
で、モード２の期間を予め設定した時間ＴｄよりΔＴだ
け延ばすと、モード３の期間をΔＴ縮めることになるた
め、モード２の期間をＴｄとした時に比べてコンデンサ
３ａの放電する電荷量を、次の（１）式で示すΔＱ_3a分
だけ減らすことができる。 ΔＱ_3a＝ｉ×ΔＴ …（１）（ｉ：３レベル電力変換装置に流れ込む電流の大きさ）すなわち、モード２の期間をΔＴだけ延ばすことによ
り、コンデンサ３ａの電圧の低下量をΔＶ_3a分だけ減ら
すことができ、コンデンサ３ａの電圧を、コンデンサ３
ｂの電圧に比べて相対的にΔＶ_3a分だけ増やすことがで
きる。 ΔＶ_3a＝ΔＱ_3a／Ｃ＝ｉ×ΔＴ／Ｃ …（２）（Ｃはコンデンサ３ａの容量）

【００１３】また、電流が正のときで、かつ、負の電圧
を出力する期間では、図１１に示すような転流のモード
を遷移する期間が存在する。モード３およびモード４で
は、電流はスイッチ１ｃおよびダイオード２ｆを経由し
て、直流側の中性点に流れ込む。モード３とモード４と
の違いは、スイッチ１ｂがオンしているか否かだけで、
電流の経路や出力電圧レベルは同じである。一方、モー
ド５では、電流はスイッチ１ｃおよびスイッチ１ｄを経
由して、直流負側に流れ込む。ここで、モード４の期間
を予め設定した時間ＴｄよりΔＴだけ延ばすと、モード
５の期間をΔＴ縮めることになるため、モード４の期間
をＴｄとした時に比べてコンデンサ３ｂの放電する電荷
量を（３）式で示すΔＱ_3b分だけ減らすことができる。 ΔＱ_3b＝ｉ×ΔＴ …（３）（ｉ：３レベル電力変換装置に流れ込む電流の大きさ）すなわち、モード４の期間をΔＴだけ延ばすことによ
り、コンデンサ３ｂの電圧の低下量をΔＶ_3b分だけ減ら
すことができ、コンデンサ３ｂの電圧を、コンデンサ３
ａの電圧に比べて相対的にΔＶ_3b分だけ増やすことがで
きる。 ΔＶ_3b＝ΔＱ_3b／Ｃ＝ｉ×ΔＴ／Ｃ …（４）（Ｃはコンデンサ３ｂの容量）

【００１４】これに対し、電流が３レベル電力変換装置
から負荷側へ流れ出す向きのときで（以下、電流が負の
ときとする）、かつ、負の電圧を出力する期間では、図
１２に示すような転流のモードを遷移する期間が存在す
る。モード６およびモード７では、電流は直流負側から
ダイオード２ｄおよびダイオード２ｃを経由して、負荷
側に流れ出す。モード６とモード７との違いはスイッチ
１ｄがオンしているかどうかで、電流の経路や出力電圧
レベルは同じである。一方、モード８では、電流は直流
側中性点からダイオード２ｅおよびスイッチ１ｂを経由
して、負荷側に流れ出す。そこで、モード７の期間を予
め設定した時間ＴｄよりΔＴだけ延ばすと、モード８の
期間をΔＴ縮めることになるため、モード７の期間をＴ
ｄとした時に比べてコンデンサ３ｂの放電する電荷量を
先の（３）式で示すΔＱ_3b分だけ減らすことができる。
すなわち、モード７の期間をΔＴだけ延ばすことによ
り、コンデンサ３ｂの電圧の低下量を先の（４）式に示
すΔＶ_3b分だけ減らすことができ、コンデンサ３ｂの電
圧を、コンデンサ３ａの電圧に比べて相対的にΔＶ_3b分
だけ増やすことができる。

【００１５】また、電流が負で、かつ、正の電圧を出力
する期間では、図１３に示すような転流のモードを遷移
する期間が存在する。モード８およびモード９では、電
流は直流側中性点からダイオード２ｅおよびスイッチ１
ｂを経由して、負荷側に流れ出す。モード８とモード９
との違いはスイッチ１ｃがオンしているかどうかで、電
流の経路や出力電圧レベルは同じである。一方、モード
１０では、電流は直流正側からスイッチ１ａおよびスイ
ッチ１ｂを経由して、負荷側に流れ出す。ここで、モー
ド９の期間を予め設定した時間ＴｄよりΔＴだけ延ばす
と、モード１０の期間をΔＴ縮めることになるため、モ
ード９の期間をＴｄとした時に比べてコンデンサ３ａの
放電する電荷量を、先の（１）式で示すΔＱ_3a分だけ減
らすことができる。

【００１６】すなわち、モード９の期間をΔＴだけ延ば
すことにより、コンデンサ３ａの電圧の低下量を先の
（２）式に示すΔＶ_3a分だけ減らすことができ、コンデ
ンサ３ａの電圧を、コンデンサ３ｂの電圧に比べて相対
的にΔＶ_3a分だけ増やすことができる。以上のことか
ら、コンデンサ３ａの電圧を増やすにはモード２または
９の期間を延長し、コンデンサ３ｂの電圧を増やすには
モード４または７の期間を延長すれば良いことが分か
る。これにより、コンデンサ３ａの電圧またはコンデン
サ３ｂの電圧のいずれが大きい場合でも、両コンデンサ
の電圧差を縮小できることになる。

【００１７】ｂ）請求項１，２，４および６について電流正のときで、かつ、正の電圧を出力する期間では、
図１０に示すような転流のモードを遷移する期間が存在
する。各モードでの作用は上記と同様なので、説明は省
略する。いま、モード２の期間を予め設定した時間Ｔｄ
よりΔＴだけ縮めると、モード３の期間をΔＴだけ延ば
すことになるため、モード２の期間をＴｄとした時に比
べて、コンデンサ３ａの放電する電荷量を先の（１）式
で示すΔＱ_3a分だけ増やすことができる。すなわち、モ
ード２の期間をΔＴだけ縮めることにより、コンデンサ
３ａの電圧をコンデンサ３ｂの電圧に比べて、相対的に
ΔＶ_3a分だけ減らすことが可能となる。電流が正で電圧
が負、電流が負で電圧が正、電流が負で電圧も負の各場
合も同様にして、コンデンサ３ａの電圧を減らすにはモ
ード２またはモード９の期間を短縮し、コンデンサ３ｂ
の電圧を減らすにはモード４またはモード７の期間を短
縮すれば良いことが分かる。すなわち、コンデンサ３ａ
の電圧またはコンデンサ３ｂの電圧のいずれが大きい場
合でも、両コンデンサの電圧差を縮小できることにな
る。

【００１８】ｃ）請求項７の発明について請求項１〜６の発明において、短絡防止モードの期間の
変化量（増加量，減少量）ΔＴを、次の（５）式の如く
上下コンデンサ電圧Ｖ_3a，Ｖ_3bの差の絶対値に比例する
量とすることで、上下双方のコンデンサ電圧Ｖ_3a，Ｖ_3b
を均等にできる効果がある。 ΔＴ＝Ｋ×｜Ｖ_3a−Ｖ_3b｜ …（５）ｄ）請求項８の発明について請求項１〜６の発明において、上下コンデンサ電圧の差
が一定値以下のときには、短絡防止期間を一定（変化量
を零）とすることで、短絡防止期間の変動に伴って生じ
る３レベル電力変換装置の出力電圧と出力電圧指令との
誤差の増加を抑制することができる。

【００１９】ｅ）請求項９の発明について短絡防止期間の最小値を設定することで、短縮または延
長を含む短絡防止期間の変化量にかかわらず短絡防止期
間が一定値以下とならないようにし、信頼性を向上させ
る。ｆ）請求項１０の発明について短絡防止期間の最小値を規定することで、短縮または延
長を含む短絡防止期間の変化量にかかわらず短絡防止期
間が一定値を越えないようにし、信頼性を向上させる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態（請求項１，３に対応する）を示す構成図、図２はそ
の動作説明図である。すなわち、図１は図１４に示す従
来の主回路にコンデンサ電圧検出手段６（６ａ，６ｂ）
を付加し、図１６に示す従来の制御装置に変化量演算手
段７、短絡防止期間延長スイッチ選択手段９および加算
手段１３（１３ａ〜１３ｄ）などを付加して構成され
る。したがって、図１４，図１６の従来例と同じ部分の
動作は既に説明済みなので、以下、新たに付加した部分
について主として説明する。

【００２１】変化量演算手段７は、コンデンサ電圧検出
手段６にて検出したコンデンサ３ａ，３ｂの電圧Ｖ_3a，
Ｖ_3bを入力され、その差の絶対値に比例する変化量ΔＴ
を出力する。短絡防止期間延長スイッチ選択手段９は、
コンデンサ電圧Ｖ_3a，Ｖ_3bおよび変化量演算手段７の出
力である変化量ΔＴを入力され、コンデンサ電圧Ｖ_3aが
コンデンサ電圧Ｖ_3bより大きい時には（Ｖ_3a＞Ｖ_3b）、
加算手段１３ｂ，１３ｄ側に変化量ΔＴを出力し、コン
デンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより小さい時には
（Ｖ_3a＜Ｖ_3b）、加算手段１３ａ，１３ｃ側に変化量Δ
Ｔを出力する。なお、短絡防止期間延長スイッチ選択手
段はマイクロコンピュータ（マイコンともいう）のソフ
ト処理で置き換えることができる。

【００２２】すなわち、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデン
サ電圧Ｖ_3bより小さい時には、図２に示すようにＰ_1a，
Ｐ_1cが０となる期間をΔＴだけ延長し、スイッチ１ａ，
スイッチ１ｃをともにオフする期間をΔＴだけ延長す
る。また、逆にコンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ
_3bより大きい時には、Ｐ_1b，Ｐ_1dが０となる期間をΔＴ
だけ延長し、スイッチ１ｂ，スイッチ１ｄをともにオフ
する期間をΔＴだけ延長する。こうして、コンデンサ電
圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより大きい時にはコンデン
サ電圧Ｖ_3bを増やし、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ
電圧Ｖ_3bより小さい時にはコンデンサ電圧Ｖ_3aを増やす
ようにする。

【００２３】図３はこの発明の第２の実施の形態（請求
項２，５に対応する）を示す構成図である。これは、図
１に示すコンデンサ電圧検出手段６に代えて、抵抗１８
（１８ａ，１８ｂ）および電圧検出器１９からなるコン
デンサ差電圧検出手段２０を設け、変化量演算手段７に
代えて変化量演算手段２１を設け、短絡防止期間延長ス
イッチ選択手段９に代えて短絡防止期間延長スイッチ選
択手段２２を設けたものである。

【００２４】コンデンサ差電圧検出手段２０内の電圧検
出器１９は、コンデンサ３ａとコンデンサ３ｂとの接続
点の電圧と、抵抗１８ａと抵抗１８ｂとの接続点の電圧
との電圧差ΔＶを検出する。この電圧差ΔＶは次式に示
す如く、両コンデンサ電圧の差に比例する値で表わされ
る。 ΔＶ＝Ｖ_3b−Ｅｄ／２＝（Ｖ_3b−Ｖ_3a）／２ …（６）ここに、Ｖ_3a，Ｖ_3bはコンデンサ３ａ，３ｂの電圧値、
Ｅｄは抵抗１８ａと抵抗１８ｂの電圧の和である。

【００２５】変化量演算手段２１は、コンデンサ差電圧
検出手段２０により検出したΔＶを入力され、ΔＶの絶
対値に比例する変化量ΔＴを出力する。短絡防止期間延
長スイッチ選択手段２２は、ΔＶおよび変化量演算手段
２１の出力である変化量ΔＴを入力され、ΔＶが負のと
き（コンデンサ３ａの電圧がコンデンサ３ｂの電圧より
大きい時）には、加算手段１３ｂ，１３ｄ側に変化量Δ
Ｔを出力し、ΔＶが正のときには（コンデンサ３ａの電
圧がコンデンサ３ｂの電圧より小さい時）加算手段１３
ａ，１３ｃ側に変化量ΔＴを出力する。なお、短絡防止
期間延長スイッチ選択手段はマイコンのソフト処理で対
処することができる。

【００２６】すなわち、コンデンサ３ａの電圧がコンデ
ンサ３ｂの電圧より小さい時には、図１の場合と同じく
図２に示すように、Ｐ_1a，Ｐ_1cが０となる期間をΔＴだ
け延長し、スイッチ１ａ，スイッチ１ｃをともにオフす
る期間をΔＴだけ延長する。また、逆にコンデンサ電圧
Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより大きい時には、Ｐ_1b，Ｐ
_1dが０となる期間をΔＴだけ延長し、スイッチ１ｂ，ス
イッチ１ｄをともにオフする期間をΔＴだけ延長する。
こうして、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bよ
り大きい時にはコンデンサ電圧Ｖ_3bを増やし、コンデン
サ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより小さい時にはコン
デンサ電圧Ｖ_3aを増やすようにする。

【００２７】図４はこの発明の第３の実施の形態（請求
項１，４に対応する）を示す構成図、図５はその動作説
明図である。これは、図１に示す短絡防止期間延長スイ
ッチ選択手段９の代わりに短絡防止期間短縮スイッチ選
択手段１０を設け、加算手段１３の代わりに減算手段１
４（１４ａ〜１４ｄ）を設けたものと言える。短絡防止
期間短縮スイッチ選択手段１０は、コンデンサ電圧
Ｖ_3a，Ｖ_3bおよび変化量演算手段７の出力である変化量
ΔＴを入力され、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧
Ｖ_3bより大きい時には（Ｖ_3a＞Ｖ_3b）、減算手段１４
ａ，１４ｃ側に変化量ΔＴを出力し、コンデンサ電圧Ｖ
_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより小さい時には（Ｖ_3a＜
Ｖ_3b）、減算手段１４ｂ，１４ｄ側に変化量ΔＴを出力
する。

【００２８】すなわち、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデン
サ電圧Ｖ_3bより大きい時には、図５に示すようにＰ_1a，
Ｐ_1cが０となる期間をΔＴだけ短縮し、スイッチ１ａ，
スイッチ１ｃをともにオフする期間をΔＴだけ短縮す
る。また、逆にコンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ
_3bより小さい時には、Ｐ_1b，Ｐ_1dが０となる期間をΔＴ
だけ短縮し、スイッチ１ｂ，スイッチ１ｄをともにオフ
する期間をΔＴだけ短縮する。こうして、コンデンサ電
圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより大きい時にはコンデン
サ電圧Ｖ_3aを減らし、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ
電圧Ｖ_3bより小さい時にはコンデンサ電圧Ｖ_3bを減らす
ようにしている。以上のことから、スイッチをオフする
期間の延長または短縮を含めて期間の変化と敷衍すれ
ば、請求項３，４から請求項１を考えることができる。

【００２９】図６はこの発明の第４の実施の形態（請求
項２，６に対応する）を示す構成図である。これは、図
４に示すコンデンサ電圧検出手段６の代わりに抵抗１８
および電圧検出器１９からなるコンデンサ差電圧検出手
段２０を設け、短絡防止期間短縮スイッチ選択手段１０
に代えて短絡防止期間短縮スイッチ選択手段２６を設
け、変化量演算手段７に代えて変化量演算手段２１を設
けたものである。

【００３０】変化量演算手段２１は、コンデンサ差電圧
検出手段２０により検出したΔＶを入力され、ΔＶの絶
対値に比例する変化量ΔＴを出力する。短絡防止期間短
縮スイッチ選択手段２６は、ΔＶおよび変化量演算手段
２１の出力である変化量ΔＴを入力され、ΔＶが負のと
き（コンデンサ３ａの電圧がコンデンサ３ｂの電圧より
大きい時）には、減算手段１４ａ，１４ｃ側に変化量Δ
Ｔを出力し、ΔＶが正のときには（コンデンサ３ａの電
圧がコンデンサ３ｂの電圧より小さい時）減算手段１４
ｂ，１４ｄ側に変化量ΔＴを出力する。なお、短絡防止
期間短縮スイッチ選択手段はマイコンのソフト処理で対
処することができる。これにより、図４の場合と同じ
く、コンデンサ電圧Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより大き
い時にはコンデンサ電圧Ｖ_3aを減らし、コンデンサ電圧
Ｖ_3aがコンデンサ電圧Ｖ_3bより小さい時にはコンデンサ
電圧Ｖ_3bを減らすようにしている。以上のことから、ス
イッチをオフする期間の延長または短縮を含めて期間の
変化と敷衍すれば、請求項５，６から請求項２を考える
ことができる。

【００３１】図７はこの発明の第５の実施の形態（請求
項７，８に対応する）を示す構成図である。これは、例
えば図１に示すものに対し、変化量演算手段７と短絡防
止期間延長スイッチ選択手段９との間に、微小期間除去
手段１５を設けて構成される。微小期間除去手段１５
は、変化量演算手段７の出力である変化量ΔＴを入力さ
れるが、この変化量ΔＴは上下コンデンサの電圧の差に
比例する量とすることができる。また、微小期間除去手
段１５は、この変化量ΔＴ応じて、例えば、変化量ΔＴ
が基準値以下のときは「０」を出力し、変化量ΔＴが基
準値よりも大きい時にはΔＴを出力する。これにより、
上，下コンデンサ３ａ，３ｂの電圧の差が基準値以下の
ときには、短絡防止期間の変化量を零となるようにする
ことが可能となる。

【００３２】図８はこの発明の第６の実施の形態（請求
項９に対応する）を示す構成図である。これは、例えば
図４に示すものに対し、減算手段１４とオン遅延手段１
２との間に下限値制限手段１６を設けて構成される。下
限値制限手段１６は、減算手段１４の出力値が下限設定
値未満のときは下限設定値を出力し、下限設定値以上の
ときは減算手段１４の出力値をそのまま出力する。これ
により、如何なるときにも短絡防止期間を一定期間確保
するようにしている。図８では、微小期間除去手段１５
を設けていないが、変化量演算手段７と短絡防止期間短
縮スイッチ選択手段１０との間に、微小期間除去手段１
５を設けることができるのは勿論である。

【００３３】図９はこの発明の第６の実施（請求項１０
に対応する）の形態を示す構成図である。これは、例え
ば図１に示すものに対し、加算手段１３とオン遅延手段
１２との間に上限値制限手段１７を設けて構成される。
上限値制限手段１７は、加算手段１３の出力値が上限設
定値以上のときは上限設定値を出力し、上限設定値未満
のときは加算手段１３の出力値をそのまま出力する。こ
れにより、如何なるときにも短絡防止期間の超過を防止
するようにしている。図９では、微小期間除去手段１５
を設けていないが、変化量演算手段７と短絡防止期間延
長スイッチ選択手段９との間に、微小期間除去手段１５
を設けることができるのは勿論である。また、図８の下
限値制限手段１６の前段または後段に、上限値制限手段
１７を設けることも勿論可能である。

【００３４】

【発明の効果】この発明によれば、直流電圧を２分割す
る双方のコンデンサ電圧の差に応じて、短絡を防止する
モードの期間を短縮または延長することで、双方のコン
デンサ電圧を均等に保ってその過電圧を防止できるとい
う利点がもたらされる。また、双方のコンデンサ電圧の
差が一定値以下のときは、短絡防止モードの期間を一定
としたり、短絡防止モードの期間の最大値を規定するこ
とで、短絡防止期間の変動に伴って生じる、３レベル電
力変換装置の出力電圧と出力電圧指令との誤差の増加を
抑止し得る利点もある。さらには、短絡防止モードの期
間の最小値を規定することで、短絡防止期間を一定期間
確保して、短絡を防止するという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図２】図１の動作を説明するためのタイムチャートで
ある。

【図３】この発明の第２の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図４】この発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図５】図４の動作を説明するためのタイムチャートで
ある。

【図６】この発明の第４の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図７】この発明の第５の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図８】この発明の第６の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図９】この発明の第７の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図１０】この発明による動作モード１〜３の説明図で
ある。

【図１１】この発明による動作モード３〜５の説明図で
ある。

【図１２】この発明による動作モード６〜８の説明図で
ある。

【図１３】この発明による動作モード８〜１０の説明図
である。

【図１４】３レベル電力変換装置主回路の一般的な例を
示す回路図である。

【図１５】図１４のスイッチングパターン説明図であ
る。

【図１６】図１４の制御装置の１例を示す構成図であ
る。

【図１７】３レベル電力変換装置の制御方法を説明する
ための動作説明図である。

【図１８】３レベル電力変換装置の短絡防止方法を説明
するための動作説明図である。

【図１９】図１４のスイッチングパターン１，４，２の
説明図である。

【図２０】図１４のスイッチングパターン２，５，３の
説明図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…電力用半導体スイッチ（スイ
ッチ）、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ…ダイオ
ード、３ａ，３ｂ…コンデンサ、４…負荷、５ａ，５ｂ
…直流電圧源、６…コンデンサ電圧検出手段、７，２１
…変化量検出手段、９，２２…短絡防止期間延長スイッ
チ選択手段、１０，２６…短絡防止期間短縮スイッチ選
択手段、１１…大小判定手段、１２…オン遅延手段、１
３…加算手段、１４…減算手段、１５…微小期間除去手
段、１６…下限値制限手段、１７…上限値制限手段、１
８ａ，１８ｂ…抵抗、１９…電圧検出器、２０…コンデ
ンサ差電圧検出手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/537 H02M 7/48 H02M 7/5387

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】各相毎に３レベルの電圧を出力する電力
変換装置において、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの各端子電圧を
検出する電圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイ
ッチングパターン切り替え時における短絡防止期間の変
化量を演算する変化量演算手段とを設け、前記短絡防止
期間を可変とすることを特徴とする３レベル電力変換装
置。
【請求項２】各相毎に３レベルの電圧を出力する電力
変換装置において、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの各端子電圧の
差を検出する差電圧検出手段と、電力用半導体スイッチ
のスイッチングパターン切り替え時における短絡防止期
間の変化量を演算する変化量演算手段とを設け、前記短
絡防止期間を可変とすることを特徴とする３レベル電力
変換装置。
【請求項３】各相毎に３レベルの電圧を出力する電力
変換装置において、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの各端子電圧を
検出する電圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイ
ッチングパターン切り替え時における短絡防止期間の変
化量を演算する変化量演算手段と、この短絡防止期間を
延長する電力用半導体スイッチを選択するスイッチ選択
手段とを設けたことを特徴とする３レベル電力変換装
置。
【請求項４】各相毎に３レベルの電圧を出力する電力
変換装置において、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの各端子電圧を
検出する電圧検出手段と、電力用半導体スイッチのスイ
ッチングパターン切り替え時における短絡防止期間の変
化量を演算する変化量演算手段と、この短絡防止期間を
短縮する電力用半導体スイッチを選択するスイッチ選択
手段とを設けたことを特徴とすることを特徴とする３レ
ベル電力変換装置。
【請求項５】各相毎に３レベルの電圧を出力する電力
変換装置において、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの各端子電圧の
差を検出する差電圧検出手段と、電力用半導体スイッチ
のスイッチングパターン切り替え時における短絡防止期
間の変化量を演算する変化量演算手段と、この短絡防止
期間を延長する電力用半導体スイッチを選択するスイッ
チ選択手段とを設けたことを特徴とする３レベル電力変
換装置。
【請求項６】各相毎に３レベルの電圧を出力する電力
変換装置において、直流電圧を２分割する双方のコンデンサの各端子電圧の
差を検出する差電圧検出手段と、電力用半導体スイッチ
のスイッチングパターン切り替え時における短絡防止期
間の変化量を演算する変化量演算手段と、この短絡防止
期間を短縮する電力用半導体スイッチを選択するスイッ
チ選択手段とを設けたことを特徴とする３レベル電力変
換装置。
【請求項７】前記短絡防止期間の変化量を、前記双方
のコンデンサの端子電圧の差に比例させることを特徴と
する請求項１ないし６のいずれかに記載の３レベル電力
変換装置。
【請求項８】前記双方のコンデンサの端子電圧の差が
一定値以下のときは、前記短絡防止期間の変化量を零と
することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記
載の３レベル電力変換装置。
【請求項９】前記短絡防止期間が一定値以下とならな
いように制限する下限値制限手段を付加したことを特徴
とする請求項１ないし６のいずれかに記載の３レベル電
力変換装置。
【請求項１０】前記短絡防止期間が基準値を越えないよ
うに制限する上限値制限手段を付加したことを特徴とす
る請求項１ないし６のいずれかに記載の３レベル電力変
換装置。