特許 5766869 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5766869

(24)【登録日】2015年6月26日

(45)【発行日】2015年8月19日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20150730BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 A

【請求項の数】3

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-501928(P2014-501928)

(86)(22)【出願日】2012年3月2日

(86)【国際出願番号】JP2012055374

(87)【国際公開番号】WO2013128631

(87)【国際公開日】20130906

【審査請求日】2014年8月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】細川 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】伊瀬 敏史

(72)【発明者】

【氏名】角井 伸翼

【審査官】 安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２７２１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８５９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１２５６３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／０３６９１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 角井伸翼、中路博勇、三浦友史、伊瀬敏史、細川靖彦，補助回路に能動素子を用いないソフトスイッチングインバータ，電気学会全国大会講演論文集，日本，社団法人電気学会，２０１１年 ３月，２０１１巻４号，113-114頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極（ＴＰ）および第２電極（ＴＮ）を有する直流電源（Ｖｄｃ）から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
前記交流電力を出力する交流端子（ＴＯＵＴ）と、
前記第１電極（ＴＰ）と前記第２電極（ＴＮ）との間に直列接続される第１の直流分割コンデンサ（Ｃ１）および第２の直流分割コンデンサ（Ｃ２）と、
前記直流電源（Ｖｄｃ）の前記第１電極に結合される第１端と、前記負荷に結合される第２端とを有する第１の主スイッチ（Ｇ１）と、
前記第１の主スイッチ（Ｇ１）と導通方向が逆になるように、前記第１の主スイッチ（Ｇ１）と並列接続される第１の主ダイオード（Ｄ１）と、
前記第１の主スイッチ（Ｇ１）の第２端に結合される第１端と、前記直流電源（Ｖｄｃ）の前記第２電極に結合される第２端とを有し、前記第１の主スイッチ（Ｇ１）と導通方向が同じになるように設けられる第２の主スイッチ（Ｇ２）と、
前記第２の主スイッチ（Ｇ２）と導通方向が逆になるように、前記第２の主スイッチ（Ｇ２）と並列接続される第２の主ダイオード（Ｄ２）と、
第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）および第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）と、
前記第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）と前記第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）との間に直列接続される第１のスナバダイオード（Ｄ１２）および第２のスナバダイオード（Ｄ２２）と、
前記第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）に印加される電圧が所定値以上になった場合または前記第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）に印加される電圧が所定値以上になった場合、前記直流電源（Ｖｄｃ）から前記第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）または前記第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）へ流れようとする充電電流を他の電流経路へ流すための保護回路（５１）と、
前記第１の主スイッチ（Ｇ１）および前記第２の主スイッチ（Ｇ２）をオン制御およびオフ制御する制御回路（１１）とを備え、
前記第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）は、前記第１の主ダイオード（Ｄ１）のアノードと前記第１のスナバダイオード（Ｄ１２）のカソードとの間に設けられ、
前記第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）は、前記第２の主ダイオード（Ｄ２）のカソードと前記第２のスナバダイオード（Ｄ２２）のアノードとの間に設けられ、
前記保護回路（５１）は、
変圧器（Ｔｒ）と、
前記第１の主スイッチ（Ｇ１）および前記第２の主スイッチ（Ｇ２）と導通方向が逆になるように、前記第１の主スイッチ（Ｇ１）および前記第２の主スイッチ（Ｇ２）と並列接続され、かつ前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる第１のクランプダイオード（Ｄｆ１）および第２のクランプダイオード（Ｄｆ２）とを含み、
前記変圧器（Ｔｒ）は、
直列接続される第１の１次巻線（Ｌｓ１）および第２の１次巻線（Ｌｓ２）と、
前記第１および第２の１次巻線（Ｌｓ１，Ｌｓ２）にそれぞれ対応し設けられる第１の２次巻線（Ｌｆ１）および第２の２次巻線（Ｌｆ２）とを有し、
前記第１の１次巻線（Ｌｓ１）および前記第２の１次巻線（Ｌｓ２）の接続ノードは、前記交流端子に接続され、
前記第１のクランプダイオード（Ｄｆ１）および前記第１の２次巻線（Ｌｆ１）が直列接続される第１のユニットと、前記第２のクランプダイオード（Ｄｆ２）および前記第２の２次巻線（Ｌｆ２）を直列接続される第２のユニットとの結合ノード（Ｎ３）は、前記第１の直流分割コンデンサ（Ｃ１）と前記第２の直流分割コンデンサ（Ｃ２）との接続ノードに接続される、電力変換装置。

【請求項2】

前記電力変換装置は、
前記第１の主スイッチ（Ｇ１）と導通方向が逆になるように、前記第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）と直列接続され、かつ前記第１のスナバコンデンサ（Ｃｓ１）と前記第１の主スイッチ（Ｇ１）の第１端との間に結合される第１の補助ダイオード（Ｄ１１）および補助リアクトル（Ｌａ１）と、
前記第２の主スイッチ（Ｇ２）と導通方向が逆になるように、前記第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）と直列接続され、かつ前記第２のスナバコンデンサ（Ｃｓ２）と前記第２の主スイッチ（Ｇ２）の第２端との間に結合される第２の補助ダイオード（Ｄ２１）および第２の補助リアクトル（Ｌａ２）とをさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御回路（１１）は、前記第１の主スイッチ（Ｇ１）をオフ制御してから所定時間経過時に前記第２の主スイッチ（Ｇ２）をオン制御し、前記第２の主スイッチ（Ｇ２）をオン制御してから所定時間経過時に前記第２の主スイッチ（Ｇ２）をオフ制御し、前記第２の主スイッチ（Ｇ２）をオフ制御してから所定時間経過時に前記第１の主スイッチ（Ｇ１）をオン制御する、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関し、特に、ソフトスイッチングを行なう電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

系統連系などに用いられる大容量インバータは，スイッチング損失が大きく動作周波数を高くできないという問題があり，これに対してソフトスイッチングの適用が有効である。

【0003】

これまでに種々のソフトスイッチングインバータ回路が提案されてきた。たとえば、非特許文献１（角井伸翼、中路博勇、三浦友史、伊瀬敏史、細川靖彦、「補助回路に能動素子を用いないソフトスイッチングインバータ」、電気学会全国大会、２０１１、Ｖｏ．１４、ｐ．１ｌ３−１１４）に開示されたソフトスイッチングインバータ回路は，補助回路に能動素子を用いず、一般的なＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御が可能であり、パッシブクランプ回路により主素子の最大電圧を抑える特長がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】角井伸翼、中路博勇、三浦友史、伊瀬敏史、細川靖彦、「補助回路に能動素子を用いないソフトスイッチングインバータ」、電気学会全国大会、２０１１、Ｖｏ．１４、ｐ．１ｌ３−１１４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし，非特許文献１に開示されたソフトスイッチングインバータは、負荷端の大きな事故電流を想定して設計する場合に、変圧器の漏れインダクタンスと配線の寄生インピーダンスの影響で補助回路のスナバコンデンサの容量が大きくなってしまう問題がある。

【0006】

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、主素子やスナバコンデンサの電圧ストレスを低減することが可能な電力変換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明のある局面に係わる電力変換装置は、第１電極および第２電極を有する直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、交流電力を出力する交流端子と、第１電極と第２電極との間に直列接続される第１の直流分割コンデンサおよび第２の直流分割コンデンサと、直流電源の第１電極に結合される第１端と、負荷に結合される第２端とを有する第１の主スイッチと、第１の主スイッチと導通方向が逆になるように、第１の主スイッチと並列接続される第１の主ダイオードと、第１の主スイッチの第２端に結合される第１端と、直流電源の第２電極に結合される第２端とを有し、第１の主スイッチと導通方向が同じになるように設けられる第２の主スイッチと、第２の主スイッチと導通方向が逆になるように、第２の主スイッチと並列接続される第２の主ダイオードと、第１のスナバコンデンサおよび第２のスナバコンデンサと、第１のスナバコンデンサと第２のスナバコンデンサとの間に直列接続される第１のスナバダイオードおよび第２のスナバダイオードと、第１のスナバコンデンサに印加される電圧が所定値以上になった場合または第２のスナバコンデンサに印加される電圧が所定値以上になった場合、直流電源から第１のスナバコンデンサまたは第２のスナバコンデンサへ流れようとする充電電流を他の電流経路へ流すための保護回路と、第１の主スイッチおよび第２の主スイッチをオン制御およびオフ制御する制御回路とを備え、第１のスナバコンデンサは、第１の主ダイオードのアノードと第１のスナバダイオードのカソードとの間に設けられ、第２のスナバコンデンサは、第２の主ダイオードのカソードと第２のスナバダイオードのアノードとの間に設けられ、保護回路は、変圧器と、第１の主スイッチおよび第２の主スイッチと導通方向が逆になるように、第１の主スイッチおよび第２の主スイッチと並列接続され、かつ第１電極と第２電極との間に設けられる第１のクランプダイオードおよび第２のクランプダイオードとを含み、制御回路１１は、電力変換装置から負荷へ電流が流れる正期間において、第１の主スイッチをオン制御からオフ制御へ切替えると、所定時間経過後に第２の主スイッチをオフ制御からオン制御に切替え、さらに第２の主スイッチをオン制御からオフ制御に切替えると、所定時間経過後に第１の主スイッチをオフ制御からオン制御へ切替える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、主素子およびスナバコンデンサに印加される最大電圧を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１の構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の電流の流れを時系列的に示す図である。

【図3】本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の電流の流れを時系列的に示す図である。

【図4】本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際のスイッチ制御手順を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の電流の流れを時系列的に示す図である。

【図6】本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の電流の流れを時系列的に示す図である。

【図7】参考例のソフトスイッチングインバータ１０１Ｘの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0011】

［実施の形態］
＜ソフトスイッチングインバータの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１の構成を示す図である。

【0012】

図１を参照して、ソフトスイッチングインバータ（電力変換装置）１０１は、電源端子ＴＰ，ＴＮと、交流出力端子ＴＯＵＴと、主スイッチＧ１，Ｇ２と、主ダイオードＤ１，Ｄ２と、スナバコンデンサＣｓ１，Ｃｓ２と、補助ダイオードＤ１１，Ｄ２１と、スナバダイオードＤ１２，Ｄ２２と、補助リアクトルＬａ１，Ｌａ２と、制御回路１１と、保護回路５１とを備える。保護回路５１は、変圧器（トランス）Ｔｒと、クランプダイオードＤｆ１，Ｄｆ２とを含む。変圧器Ｔｒは、１次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２と、２次巻線Ｌｆ１，Ｌｆ２とを含む。このソフトスイッチングインバータ１０１の電源端子ＴＰには直流電源Ｖｄｃの正電極端子が接続され、電源端子ＴＮには直流電源Ｖｄｃの負電極端子が接続される。なお、ソフトスイッチングインバータ１０１は、直流電源Ｖｄｃを備える構成であってもよい。

【0013】

主スイッチＧ１，Ｇ２は、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

【0014】

直流電源Ｖｄｃは、電源端子ＴＰに接続された正電極と、電源端子ＴＮに接続された負電極とを有する。電源端子ＴＰ，ＴＮ間には、直流分割コンデンサＣ１およびＣ２が直列接続されており、コンデンサＣ１およびＣ２の接続ノードをノードＮ３とする。

【0015】

主スイッチＧ１は、直流電源Ｖｄｃの正電極に結合されたコレクタと、交流出力端子ＴＯＵＴを介して負荷に結合されたエミッタとを有する。すなわち、主スイッチＧ１は、電源端子ＴＰに接続されたコレクタと、変圧器Ｔｒの１次巻線Ｌｓ１の第１端に接続されたエミッタとを有する。

【0016】

主ダイオードＤ１は、主スイッチＧ１と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ１と並列接続されている。すなわち、主ダイオードＤ１は、主スイッチＧ１のコレクタに接続されたカソードと、主スイッチＧ１のエミッタに接続されたアノードとを有する。

【0017】

スナバコンデンサＣｓ１は、主スイッチＧ１のエミッタとノードＮ１との間に接続される。補助ダイオードＤ１１は、主スイッチＧ１と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ１および主ダイオードＤ１と並列接続され、かつスナバコンデンサＣｓ１と直列接続されている。すなわち、補助ダイオードＤ１１は、ノードＮ１に接続されたアノードと、補助リアクトルＬａ１の第１端に接続されたカソードとを有する。スナバダイオードＤ１２は、ノードＮ３に接続されたアノードと、ノードＮ１に接続されたカソードとを有する。

【0018】

補助ダイオードＤ１１および補助リアクトルＬａ１は、電源端子ＴＰとノードＮ１との間に接続され、かつ互いに直列接続されている。

【0019】

補助リアクトルＬａ１は、補助ダイオードＤ１１のカソードに接続された第１端と、電源端子ＴＰに接続された第２端とを有する。

【0020】

主スイッチＧ２は、主スイッチＧ１のエミッタに結合されたコレクタと、直流電源Ｖｄｃの負電極に結合されたエミッタとを有し、主スイッチＧ１と導通方向が同じになるように設けられている。すなわち、主スイッチＧ２は、変圧器Ｔｒの１次巻線Ｌｓ２の第２端に接続されたコレクタと、電源端子ＴＮに接続されたエミッタとを有する。

【0021】

主ダイオードＤ２は、主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ２と並列接続されている。すなわち、主ダイオードＤ２は、主スイッチＧ２のコレクタに接続されたカソードと、主スイッチＧ２のエミッタに接続されたアノードとを有する。

【0022】

スナバコンデンサＣｓ２は、主スイッチＧ２のコレクタとノードＮ２との間に接続される。補助ダイオードＤ２１は、主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ２および主ダイオードＤ２と並列接続され、かつスナバコンデンサＣｓ２と直列接続されている。すなわち、補助ダイオードＤ２１は、ノードＮ２に接続されたカソードと、補助リアクトルＬａ２の第２端に接続されたアノードとを有する。

【0023】

補助ダイオードＤ２１および補助リアクトルＬａ２は、ノードＮ２と電源端子ＴＮとの間に接続され、かつ互いに直列接続されている。

【0024】

補助リアクトルＬａ２は、補助ダイオードＤ２１のアノードに接続された第２端と、電源端子ＴＮに接続された第１端とを有する。

【0025】

スナバダイオードＤ１２およびスナバダイオードＤ２２は、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続され、かつ互いに直列接続されている。

【0026】

補助ダイオードＤ１１，Ｄ２１の配置は、上記の場所に限らず、設けることができる。たとえば、補助ダイオードＤ１１は、電源端子ＴＰと補助リアクトルＬａ１の第２端との間に設けられてもよい。すなわち、補助ダイオードＤ１１のアノードは補助リアクトルＬａ１の第２端に接続され、カソードは電源端子ＴＰに接続される。

【0027】

また、補助ダイオードＤ２１は、電源端子ＴＮと補助リアクトルＬａ２の第１端との間に設けられてもよい。すなわち、補助ダイオードＤ２１のアノードは電源端子ＴＮに接続され、カソードは補助リアクトルＬａ２の第１端に接続される。

【0028】

保護回路５１は、主スイッチＧ１のエミッタと主スイッチＧ２のコレクタとの間に接続されている。保護回路５１において、１次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２は、主スイッチＧ１のエミッタと主スイッチＧ２のコレクタとの間に接続されている。

【0029】

すなわち、１次巻線Ｌｓ１は、主スイッチＧ１のエミッタおよびスナバコンデンサＣｓ１の第１端に接続された第１端と、交流出力端子ＴＯＵＴおよび１次巻線Ｌｓ２の第１端に接続された第２端とを有する。

【0030】

１次巻線Ｌｓ２は、交流出力端子ＴＯＵＴおよび１次巻線Ｌｓ１の第２端に接続された第１端と、主スイッチＧ２のコレクタおよびスナバコンデンサＣｓ２の第１端に接続された第２端とを有する。１次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２は、巻き方向が同じである。

【0031】

２次巻線Ｌｆ１は、ノードＮ３と直流電源Ｖｄｃの正電極との間に結合され、１次巻線Ｌｓ１と磁気結合されている。２次巻線Ｌｆ１およびクランプダイオードＤｆ１は、ノードＮ３と電源端子ＴＰとの間に接続され、互いに直列接続されている。

【0032】

すなわち、２次巻線Ｌｆ１は、クランプダイオードＤｆ１のアノードに接続された第１端と、ノードＮ３に接続された第２端とを有する。２次巻線Ｌｆ１は、１次巻線Ｌｓ１と巻き方向が逆である。また、変圧器Ｔｒの１次巻線と２次巻線との巻数比は１：ｎであり、たとえばｎ＞２である。

【0033】

２次巻線Ｌｆ２は、ノードＮ３と直流電源Ｖｄｃの負電極との間に結合され、１次巻線Ｌｓ２と磁気結合されている。２次巻線Ｌｆ２およびクランプダイオードＤｆ２は、ノードＮ３と電源端子ＴＮとの間に接続され、互いに直列接続されている。

【0034】

すなわち、２次巻線Ｌｆ２は、クランプダイオードＤｆ２のアノードに接続された第１端と、電源端子ＴＮに接続された第２端とを有する。２次巻線Ｌｆ２は、１次巻線Ｌｓ２と巻き方向が逆である。また、変圧器Ｔｒの１次巻線と２次巻線との巻数比は１：ｎであり、たとえばｎ＞２である。

【0035】

クランプダイオードＤｆ１は、直流電源Ｖｄｃの正電極と２次巻線Ｌｆ１の第１端との間に接続されている。すなわち、クランプダイオードＤｆ１は、電源端子ＴＰに接続されたカソードと、２次巻線Ｌｆ１の第１端に接続されたアノードとを有する。

【0036】

クランプダイオードＤｆ２は、ノードＮ３と２次巻線Ｌｆ２の第１端との間に接続されている。すなわち、クランプダイオードＤｆ２は、ノードＮ３に接続されたカソードと、２次巻線Ｌｆ２の第１端に接続されたアノードとを有する。

【0037】

クランプダイオードＤｆ１，Ｄｆ２の配置は、上記の場所に限らず、電流経路ＰＴ上に設けることができる。たとえば、クランプダイオードＤｆ１は、ノードＮ３とＬｆ１の第２端との間に設けられてもよい。すなわち、クランプダイオードＤｆ１のアノードはノードＮ３に接続され、カソードは２次巻線Ｌｆ１の第２端に接続される。

【0038】

また、クランプダイオードＤｆ２は、電源端子ＴＮと２次巻線Ｌｆ２の第２端との間に設けられてもよい。すなわち、クランプダイオードＤｆ２のアノードは電源端子ＴＮに接続され、カソードは２次巻線Ｌｆ２の第２端に接続される。

【0039】

ソフトスイッチングインバータ１０１は、直流電源Ｖｄｃから供給される直流電力を主アームである主スイッチＧ１，Ｇ２によってスイッチングすることにより、直流電源Ｖｄｃから供給される直流電力を交流電力に変換し、交流出力端子ＴＯＵＴを介して負荷に供給する。

【0040】

スナバコンデンサＣｓ１は、主スイッチＧ１がオフした時に主スイッチＧ１に電圧が印加されないようにするために設けられる。スナバコンデンサＣｓ２は、主スイッチＧ２がオフした時に主スイッチＧ２に電圧が印加されないようにするために設けられる。

【0041】

制御回路１１は、主スイッチＧ１，Ｇ２をそれぞれスイッチング制御する。
保護回路５１は、直流電源Ｖｄｃの正電極と直流電源Ｖｄｃの負電極との間の電流経路ＰＴを有する。保護回路５１は、変圧器Ｔｒを用いることにより、主スイッチＧ１およびＧ２に印加される最大電圧を直流電源Ｖｄｃの出力電圧の１．５倍よりも小さい最大値ＶＭに抑制する。

【0042】

次に、本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の動作について図面を用いて説明する。まず、ソフトスイッチングインバータ１０１から負荷へ電流が流れる正期間の動作について説明する。

【0043】

＜正期間の動作＞
図２および図３は、本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の電流の流れを時系列的に示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際のスイッチ制御手順を示す図である。ここでは、直流電源Ｖｄｃの出力電圧をＶｄｃとする。

【0044】

すなわち、図４に示すようなデットタイムＴＤを設定した制御信号によって駆動する。このとき負荷電流が正のとき、スイッチＳ１からＳ２への転流では、図２に示された電流経路をとり、スイッチＳ２からＳ１への転流では、図３に示された電流経路をとる。

【0045】

図２および図３において、スナバコンデンサＣｓ１およびＣｓ２の横に付された「＋，−」は、スナバコンデンサの電荷の極性を示す。

【0046】

図４の横軸は時間を示しており、この横軸に沿って並ぶ数字は、図２および図３に示す各モードを示している。

【0047】

図２〜図４を参照して、まず、主スイッチＧ１をオン制御し、主スイッチＧ２をオフ制御し、主スイッチＧ１を通して直流電源Ｖｄｃから負荷へ電流が流れている状態（モード１）から説明する。このモード１では、負荷へ流れる電流は定常状態である。また、スナバコンデンサＣｓ１の初期電圧は、直流分割コンデンサＣ１と同じ電圧値（−Ｖｄｃ／２）を有する。一方、スナバコンデンサＣｓ２の初期電圧の電圧値は（１／２＋１／ｎ）Ｖｄｃを有する。

【0048】

この状態において、時刻ｔ１にスイッチＳ１がターンオフする。すなわち、主スイッチＧ１をオフ制御する。そうすると、直流電源Ｖｄｃからの電流がスナバコンデンサＣｓ１へ転流する。これにより、スナバコンデンサＣｓ１が負荷電流によって充電される（モード２）。

【0049】

次に、直流分割コンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２と、スナバコンデンサＣｓ１およびＣｓ２の電圧Ｖｃｓ１，Ｖｃｓ２の合計の電圧とが等しくなると、ダイオードＤ２１が導通し、スナバコンデンサＣｓ２の放電が開始される（モード３）。

【0050】

さらに、スイッチＳ１の両端電圧が後に説明する式（１）で示される閾値に達すると、クランプダイオードＤｆ１およびＤｆ２が同じタイミングで導通し、経路ＰＴに電流が流れ、スナバコンデンサＣｓ１の充電が完了する（モード４）。

【0051】

そして、デットタイムＴＤ経過後、時刻ｔ２に主スイッチＧ２をオン制御する（ターンオン）。すると、共振経路が変化し、スナバコンデンサＣｓ２の放電が継続する（モード５）。

【0052】

モード３に開始された、スナバコンデンサＣｓ２の放電動作は、スナバコンデンサＣｓ２の両端電圧（Ｖｃｓ２）が−Ｖｄｃ／２に達すると完了し、スナバダイオードＤ２２が導通して、補助リアクトルＬａ２のエネルギーは直流分割コンデンサＣ２へ回生する（モード６）。

【0053】

そして、補助リアクトルＬａ２および変圧器の２次巻線の電流がゼロになるとスイッチＳ１から主ダイオードＤ２への転流が終了する（モード７）。

【0054】

上述したモード７の動作以降、そして、主スイッチＧ２をオン制御からオフ制御へ切替えるとき（時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間）まで、主スイッチＧ２と並列接続され、主スイッチＧ２の電流の流れの向きに逆になるように設けられた主ダイオードＤ２を、負荷電流は流れる（モード８）。スナバコンデンサＣｓ１は、（１／２＋１／ｎ）×Ｖｄｃの電圧を有し、一方、スナバコンデンサＣｓ２は、−Ｖｄｃ／２の電圧を有する。

【0055】

この状態において、時刻ｔ３にスイッチＳ２がターンオフする。すなわち主スイッチＧ２をオフ制御する。その後デットタイムＴＤ経過後、時刻ｔ４にスイッチＳ１がターンオンすると、充電されていたスナバコンデンサＣｓ１が放電動作を開始する。また、スイッチＳ２（主ダイオードＤ２）に流れる電流は、線形的に減少していく（モード９）。

【0056】

そして、モード９で示したように負荷電流が流れていた主ダイオードＤ２の電流が減少し、ゼロになると、スナバダイオードＤ２２が導通して、スナバコンデンサＣｓ２の充電が開始される（モード１０）。

【0057】

モード９に開始されたスナバコンデンサＣｓ１の放電動作は、スナバコンデンサＣｓ１の両端電圧（Ｖｃｓ１）が−Ｖｄｃ／２に達すると完了し、スナバダイオードＤ１２が導通して、補助リアクトルＬａ１のエネルギーは直流分割コンデンサＣ１へ回生する（モード１１）。

【0058】

さらに、モード４と同様に、スイッチＳ２の両端電圧が後に説明する式（１）で示される閾値に達すると、クランプダイオードＤｆ２およびＤｆ１が同じタイミングで導通し、経路ＰＴに電流が流れ、スナバコンデンサＣｓ２の充電が完了する（モード１２）。

【0059】

そして、補助リアクトルＬａ１および変圧器の２次巻線の電流がゼロになると主ダイオードＤ２からスイッチＳ１への転流が終了する（モード１３）。

【0060】

このモード１３は、モード１と同じ状態に戻る。すなわち、モード１〜モード１３の一連の流れで、実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１はスイッチからダイオードへの転流を行ない、さらにダイオードからスイッチへの転流を行なう。

【0061】

＜負期間の動作＞
モード１〜モード１３は、負荷電流が負荷へ流れ込む場合の動作、すなわち正期間の動作を説明したが、負荷電流がソフトスイッチングインバータ１０１に流れ込む場合の負期間の動作についても同様のため簡単に説明する。図５および図６は、本発明の実施の形態に係るソフトスイッチングインバータ１０１が電力変換を行なう際の電流の流れを時系列的に示す図である。

【0062】

図４の横軸は時間を示しており、この横軸に沿って並ぶ「負期間」の各数字は、図５および図６に示す各ステップを示している。

【0063】

図４〜図６を参照して、まず、主スイッチＧ２をオン制御し、主スイッチＧ１をオフ制御し、主スイッチＧ２を通して負荷から直流電源Ｖｄｃへ電流が流れている状態（モード２１）から説明する。このモード２１では、負荷へ流れる電流は定常状態である。

【0064】

この状態において、時刻ｔ３にスイッチＳ２がターンオフする。すなわち、主スイッチＧ２をオフ制御する。そうすると、負荷からの電流がスナバコンデンサＣｓ２へ転流する。これにより、スナバコンデンサＣｓ２が負荷電流によって充電される（モード２２）。

【0065】

次に、直流分割コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１と、スナバコンデンサＣｓ１およびＣｓ２の電圧Ｖｃｓ１，Ｖｃｓ２の合計の電圧とが等しくなると、ダイオードＤ１１が導通し、スナバコンデンサＣｓ１の放電が開始される（モード２３）。

【0066】

さらに、スイッチＳ１の両端電圧が閾値電圧に達すると、クランプダイオードＤｆ１およびＤｆ２が同じタイミングで導通し、経路ＰＴに電流が流れ、スナバコンデンサＣｓ２の充電が完了する（モード２４）。

【0067】

そして、デットタイムＴＤ経過後、時刻ｔ４に主スイッチＧ１をオン制御する（ターンオン）。すると、共振経路が変化し、スナバコンデンサＣｓ１の放電が継続する（モード２５）。

【0068】

モード２３に開始された、スナバコンデンサＣｓ１の放電動作は、スナバコンデンサＣｓ１の両端電圧（Ｖｃｓ１）が−Ｖｄｃ／２に達すると完了し、スナバダイオードＤ１２が導通して、補助リアクトルＬａ１のエネルギーは直流分割コンデンサＣ１へ回生する（モード２６）。

【0069】

そして、補助リアクトルＬａ１および変圧器の２次巻線の電流がゼロになるとスイッチＳ２から主ダイオードＤ１への転流が終了する（モード２７）。

【0070】

上述したモード２７の動作以降、そして、主スイッチＧ１をオン制御からオフ制御へ切替えるとき（時刻ｔ１）まで、主スイッチＧ１と並列接続され、主スイッチＧ１の電流の流れの向きに逆になるように設けられた主ダイオードＤ１を、負荷電流は流れる（モード２８）。スナバコンデンサＣｓ２は、（１／２＋１／ｎ）×Ｖｄｃの電圧を有し、一方、スナバコンデンサＣｓ１は、−Ｖｄｃ／２の電圧を有する。

【0071】

この状態において、時刻ｔ１にスイッチＳ１がターンオフする。すなわち主スイッチＧ１をオフ制御する。その後デットタイムＴＤ経過後、時刻ｔ２にスイッチＳ２がターンオンすると、充電されていたスナバコンデンサＣｓ２が放電動作を開始する。また、スイッチＳ１（主ダイオードＤ１）に流れる電流は、線形的に減少していく（モード２９）。

【0072】

そして、モード２９で示したように負荷電流が流れていた主ダイオードＤ１の電流が減少し、ゼロになると、スナバダイオードＤ１２が導通して、スナバコンデンサＣｓ１の充電が開始される（モード３０）。

【0073】

モード２９に開始されたスナバコンデンサＣｓ２の放電動作は、スナバコンデンサＣｓ２の両端電圧（Ｖｃｓ２）が−Ｖｄｃ／２に達すると完了し、スナバダイオードＤ２２が導通して、補助リアクトルＬａ２のエネルギーは直流分割コンデンサＣ２へ回生する（モード３１）。

【0074】

さらに、モード２４と同様に、スイッチＳ１の両端電圧が閾値電圧に達すると、クランプダイオードＤｆ１およびＤｆ２が同じタイミングで導通し、経路ＰＴに電流が流れ、スナバコンデンサＣｓ１の充電が完了する（モード３２）。

【0075】

そして、補助リアクトルＬａ２および変圧器の２次巻線の電流がゼロになると主ダイオードＤ１からスイッチＳ２への転流が終了する（モード３３）。

【0076】

このモード３３は、モード２１と同じ状態に戻る。すなわち、モード２１〜モード３３の一連の流れで、実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１はスイッチからダイオードへの転流を行ない、さらにダイオードからスイッチへの転流を行なう。

【0077】

＜実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１と参考例のソフトスイッチングインバータ１０１Ｘとの比較＞
まず、図７は、参考例のソフトスイッチングインバータ１０１Ｘの構成を示す図である。図１、図７を参照して、実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１と比較して、参考例のソフトスイッチングインバータ１０１Ｘを簡単に説明する。ソフトスイッチングインバータ１０１Ｘは、ソフトスイッチングインバータ１０１の保護回路５１に代え、保護回路５１Ｘを含む。保護回路５１Ｘは、変圧器ＴｒＸと、クランプダイオードＤｆとを含む。また、変圧器ＴｒＸは、１次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２と、２次巻線Ｌｆとを含む。

【0078】

言い換えると、ソフトスイッチングインバータ１０１は、ソフトスイッチングインバータ１０１Ｘと比較して、クランプダイオードＤｆを２つに分割し、クランプダイオードＤｆ１，Ｄｆ２とし、同様に変圧器Ｔｒの２次巻線Ｌｆを２つに分割し、２次巻線Ｌｆ１，Ｌｆ２とする。この２次巻線Ｌｆ１，Ｌｆ２間の接続ノードと直流電源の直流分割コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続ノードとが接続されている。

【0079】

ここで、本実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１の理解を容易にするために、ソフトスイッチングインバータ１０１およびソフトスイッチングインバータ１０１Ｘの構成する主スイッチ、クランプダイオード、スナバコンデンサに印加される最大電圧について検討する。

【0080】

ソフトスイッチングインバータ１０１の構成するスイッチＳ１，Ｓ２およびクランプダイオードＤｆ１，Ｄｆ２に印加される最大電圧は、式（１）および式（２）で表せる。ｎはＬｓ１（Ｌｓ２）とＬｆ１（Ｌｆ２）との巻数比を示し、これらの式（１）、式（２）で表した最大電圧の関係は、トレードオフの関係にある。

【0081】

【数1】

【0082】

【数2】

【0083】

一方、ソフトスイッチングインバータ１０１ＸのスイッチＳ１，Ｓ２およびクランプダイオードＤｆに印加される最大電圧は、式（３）および式（４）で表せる。ｎｘは変圧器ＴｒＸの巻数比を示し、これらの最大電圧の関係は、同様にトレードオフの関係にある。

【0084】

【数3】

【0085】

【数4】

【0086】

さらに、ソフトスイッチングインバータ１０１の構成するスナバコンデンサＣｓ１，Ｃｓ２に印加される最大電圧は、式（５）で表せる。

【0087】

【数5】

【0088】

一方、ソフトスイッチングインバータ１０１Ｘの構成するスナバコンデンサＣｓ１，Ｃｓ２に印加される最大電圧は、式（６）で表せる。

【0089】

【数6】

【0090】

ここで、ソフトスイッチングインバータ１０１のクランプダイオード一つ当たりの最大電圧がソフトスイッチングインバータ１０１Ｘのクランプダイオードの最大電圧と等しくする場合に、変圧器Ｔｒ，ＴｒＸのそれぞれの巻数比ｎ，ｎｘとの関係は、式（７）で表せる。

【0091】

【数7】

【0092】

式（１）、式（３）、式（７）を用いて、ソフトスイッチングインバータ１０１およびソフトスイッチングインバータ１０１Ｘのそれぞれの主素子に印加される最大電圧関係が式（８）で表せる。

【0093】

【数8】

【0094】

式（８）が示すように、主素子に印加される最大電圧は、ソフトスイッチングインバータ１０１Ｘよりソフトスイッチングインバータ１０１の方が低減される。

【0095】

さらに、式（５）、式（６）、式（７）を用いて、ソフトスイッチングインバータ１０１およびソフトスイッチングインバータ１０１Ｘのそれぞれのスナバコンデンサに印加される最大電圧関係が式（９）で表せる。

【0096】

【数9】

【0097】

式（９）が示すように、スナバコンデンサに印加される最大電圧は、ソフトスイッチングインバータ１０１Ｘよりソフトスイッチングインバータ１０１の方が低減される。

【0098】

具体的に説明すると、たとえば、Ｖｄｃ＝２００Ｖ，クランプダイオードの最大電圧Ｖ_{Ｄｆ．ｍａｘ．ｎｅｗ}＝Ｖ_{Ｄｆ．ｍａｘ．ｏｌｄ}＝６００Ｖとすると、ソフトスイッチングインバータ１０１およびソフトスイッチングインバータ１０１Ｘの巻数比はそれぞれｎ＝５，ｎｘ＝４となり、また、主素子の最大電圧はＶ_{ｓ．ｍａｘ．ｎｅｗ}＝２４０，Ｖ_{ｓ．ｍａｘ．ｏｌｄ}＝３００となり、スナバコンデンサの最大電圧はＶ_{ｓ．ｍａｘ．ｎｅｗ}＝１４０，Ｖ_{ｓ．ｍａｘ．ｏｌｄ}＝２００となる。従って、主素子およびクランプコンデンサの最大電圧は約８０％、約７０％まで低減されている。

【0099】

このように実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１の構成をとることにより、主素子、スナバコンデンサの最大電圧を低減でき、装置の小型化、コスト削減を行なうことができる。

【0100】

最後に、図等を用いて、実施の形態を総括する。
図１に示すように、実施の形態のソフトスイッチングインバータ１０１は、電源端子ＴＰおよび電源端子ＴＮを有する直流電源Ｖｄｃから供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、交流電力を出力する交流端子（ＴＯＵＴ）と、電源端子ＴＰと電源端子ＴＮとの間に直列接続される直流分割コンデンサＣ１および直流分割コンデンサＣ２と、直流電源Ｖｄｃの電源端子に結合される第１端と、負荷に結合される第２端とを有する主スイッチＧ１と、主スイッチＧ１と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ１と並列接続される主ダイオードＤ１と、主スイッチＧ１の第２端に結合される第１端と、直流電源Ｖｄｃの電源端子に結合される第２端とを有し、主スイッチＧ１と導通方向が同じになるように設けられる主スイッチＧ２と、主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ２と並列接続される主ダイオードＤ２と、スナバコンデンサＣｓ１およびスナバコンデンサＣｓ２と、スナバコンデンサＣｓ１とスナバコンデンサＣｓ２との間に直列接続されるスナバダイオードＤ１２およびスナバダイオードＤ２２と、スナバコンデンサＣｓ１に印加される電圧が所定値以上になった場合またはスナバコンデンサＣｓ２に印加される電圧が所定値以上になった場合、直流電源ＶｄｃからスナバコンデンサＣｓ１またはスナバコンデンサＣｓ２へ流れようとする充電電流を他の電流経路へ流すための保護回路５１と、主スイッチＧ１および主スイッチＧ２をオン制御およびオフ制御する制御回路１１とを備え、スナバコンデンサＣｓ１は、主ダイオードＤ１のアノードとスナバダイオードＤ１２のカソードとの間に設けられ、スナバコンデンサＣｓ２は、主ダイオードＤ２のカソードとスナバダイオードＤ２２のアノードとの間に設けられ、保護回路５１は、変圧器Ｔｒと、主スイッチＧ１および主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ１および主スイッチＧ２と並列接続され、かつ電源端子と電源端子との間に設けられるクランプダイオードＤｆ１およびクランプダイオードＤｆ２とを含み、制御回路１１は、電力変換装置から負荷へ電流が流れる正期間において、主スイッチＧ１をオン制御からオフ制御へ切替えると、所定時間（ＴＤ）経過後に主スイッチＧ２をオフ制御からオン制御に切替え、さらに主スイッチＧ２をオン制御からオフ制御に切替えると、所定時間（ＴＤ）経過後に主スイッチＧ１をオフ制御からオン制御へ切替える。

【0101】

また、実施の形態を別の局面から見ると、ソフトスイッチングインバータ１０１は、電源端子ＴＰおよび電源端子ＴＮを有する直流電源Ｖｄｃから供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、交流電力を出力する交流端子（ＴＯＵＴ）と、電源端子ＴＰと電源端子ＴＮとの間に直列接続される直流分割コンデンサＣ１および直流分割コンデンサＣ２と、直流電源Ｖｄｃの電源端子に結合される第１端と、負荷に結合される第２端とを有する主スイッチＧ１と、主スイッチＧ１と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ１と並列接続される主ダイオードＤ１と、主スイッチＧ１の第２端に結合される第１端と、直流電源Ｖｄｃの電源端子に結合される第２端とを有し、主スイッチＧ１と導通方向が同じになるように設けられる主スイッチＧ２と、主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ２と並列接続される主ダイオードＤ２と、スナバコンデンサＣｓ１およびスナバコンデンサＣｓ２と、スナバコンデンサＣｓ１とスナバコンデンサＣｓ２との間に直列接続されるスナバダイオードＤ１２およびスナバダイオードＤ２２と、スナバコンデンサＣｓ１に印加される電圧が所定値以上になった場合またはスナバコンデンサＣｓ２に印加される電圧が所定値以上になった場合、直流電源ＶｄｃからスナバコンデンサＣｓ１またはスナバコンデンサＣｓ２へ流れようとする充電電流を他の電流経路へ流すための保護回路５１と、主スイッチＧ１および主スイッチＧ２をオン制御およびオフ制御する制御回路１１とを備え、スナバコンデンサＣｓ１は、主ダイオードＤ１のアノードとスナバダイオードＤ１２のカソードとの間に設けられ、スナバコンデンサＣｓ２は、主ダイオードＤ２のカソードとスナバダイオードＤ２２のアノードとの間に設けられ、保護回路５１は、変圧器Ｔｒと、主スイッチＧ１および主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、主スイッチＧ１および主スイッチＧ２と並列接続され、かつ電源端子と電源端子との間に設けられるクランプダイオードＤｆ１およびクランプダイオードＤｆ２とを含み、変圧器Ｔｒは、直列接続される１次巻線Ｌｓ１および１次巻線Ｌｓ２と、１次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２にそれぞれ対応し設けられる２次巻線Ｌｆ１および２次巻線Ｌｆ２とを有し、１次巻線Ｌｓ１および１次巻線Ｌｓ２の接続ノードは、交流端子に接続され、クランプダイオードＤｆ１および２次巻線Ｌｆ１が直列接続される第１のユニットと、クランプダイオードＤｆ２および２次巻線Ｌｆ２を直列接続される第２のユニットとの結合ノードＮ３は、直流分割コンデンサＣ１と直流分割コンデンサＣ２との接続ノードに接続される。

【0102】

さらに好ましくは、電力変換装置は、主スイッチＧ１と導通方向が逆になるように、スナバコンデンサＣｓ１と直列接続され、かつスナバコンデンサＣｓ１と主スイッチＧ１の第１端との間に結合される補助ダイオードＤ１１および補助リアクトルＬａ１と、主スイッチＧ２と導通方向が逆になるように、スナバコンデンサＣｓ２と直列接続され、かつスナバコンデンサＣｓ２と主スイッチＧ２の第２端との間に結合される補助ダイオードＤ２１および補助リアクトルＬａ２とをさらに備える。

【0103】

好ましくは、変圧器Ｔｒは、直列接続される１次巻線Ｌｓ１および１次巻線Ｌｓ２と、１次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２にそれぞれ対応し設けられる２次巻線Ｌｆ１および２次巻線Ｌｆ２とを含み、２次巻線Ｌｆ１と２次巻線Ｌｆ２との結合ノードは、直流分割コンデンサＣ１と直流分割コンデンサＣ２との接続ノードに接続される。

【0104】

好ましくは、２次巻線Ｌｆ１と２次巻線Ｌｆ２との結合ノードは、スナバダイオードＤ１２とスナバダイオードＤ２２との接続ノードに接続される。

【0105】

さらに好ましくは、制御回路１１は、主スイッチＧ１をオフ制御してから所定時間経過時に主スイッチＧ２をオン制御し、主スイッチＧ２をオン制御してから所定時間経過時に主スイッチＧ２をオフ制御し、主スイッチＧ２をオフ制御してから所定時間経過時に主スイッチＧ１をオン制御する。

【0106】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0107】

１０１ ソフトスイッチングインバータ、１１ 制御回路、５１ 保護回路、Ｃ１，Ｃ２ 直流分割コンデンサ、Ｃｓ１，Ｃｓ２ スナバコンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ 主ダイオード、Ｄ１１，Ｄ２１ 補助ダイオード、Ｄ１２，Ｄ２２ スナバダイオード、Ｄｆ，Ｄｆ１，Ｄｆ２ クランプダイオード、Ｇ１，Ｇ２ 主スイッチ、Ｌａ１，Ｌａ２ 補助リアクトル、Ｌｆ，Ｌｆ１，Ｌｆ２ ２次巻線、Ｌｓ１，Ｌｓ２ １次巻線、Ｓ１，Ｓ２ スイッチ、ＴＤ デットタイム、ＴＮ，ＴＰ 電源端子、ＴＯＵＴ 交流出力端子、Ｔｒ，ＴｒＸ 変圧器、ｎ，ｎｘ 巻数比。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】