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特開2024-87298電力変換装置およびその制御方法ならびに交流電車用電源回路
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024087298
(43)【公開日】2024-07-01
(54)【発明の名称】電力変換装置およびその制御方法ならびに交流電車用電源回路
(51)【国際特許分類】
H02M 7/12 20060101AFI20240624BHJP
【ＦＩ】
H02M7/12 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022202050
(22)【出願日】2022-12-19
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「ＳｉＣ スイッチングモジュールの高性能化とその応用開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
(71)【出願人】
【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
(71)【出願人】
【識別番号】521344607
【氏名又は名称】ネクスファイ・テクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】舟木 剛
(72)【発明者】
【氏名】福田 典子
(72)【発明者】
【氏名】中村 孝
(72)【発明者】
【氏名】柳澤 佑太
【テーマコード（参考）】
5H006
【Ｆターム（参考）】
5H006AA02
5H006BB05
5H006CA02
5H006CA12
5H006DA02
5H006DA04
5H006DB01
5H006DC02
5H006DC05
(57)【要約】
【課題】双方向の交流－直流変換およびＰＦＣ制御が可能なブリッジレスの電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置３Ａは、第１ノード１１に入出力される交流電圧Ｖ１と第２ノード１３に入出力される直流電圧Ｖ２とが同符号になる交流電圧の半周期に、インダクタ１６の第１端を第１ノード１１に接続してインダクタ１６の第２端を基準ノード１５に接続する第１制御状態と、インダクタ１６の第１端を基準ノード１５に接続してインダクタ１６の第２端を第２ノード１３に接続する第２制御状態とを交互に繰り返す。電力変換装置３Ａは、交流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２とが異符号になる交流電圧Ｖ１の半周期に、インダクタ１６の第１端を第１ノード１１と第２ノード１３とに交互に接続し、インダクタ１６の第２端を基準ノード１５に接続する。
【選択図】図１
【解決手段】電力変換装置３Ａは、第１ノード１１に入出力される交流電圧Ｖ１と第２ノード１３に入出力される直流電圧Ｖ２とが同符号になる交流電圧の半周期に、インダクタ１６の第１端を第１ノード１１に接続してインダクタ１６の第２端を基準ノード１５に接続する第１制御状態と、インダクタ１６の第１端を基準ノード１５に接続してインダクタ１６の第２端を第２ノード１３に接続する第２制御状態とを交互に繰り返す。電力変換装置３Ａは、交流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２とが異符号になる交流電圧Ｖ１の半周期に、インダクタ１６の第１端を第１ノード１１と第２ノード１３とに交互に接続し、インダクタ１６の第２端を基準ノード１５に接続する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基準電位が与えられる基準ノードと、
第１ノードおよび第２ノードと、
インダクタと、
前記インダクタの第１端と前記第１ノードとの間に接続された第１スイッチと、
前記インダクタの前記第１端と前記基準ノードとの間に接続された第２スイッチと、
前記インダクタの第２端と前記第２ノードとの間に接続された第３スイッチと、
前記インダクタの前記第２端と前記基準ノードとの間に接続された第４スイッチと、
前記インダクタの前記第１端と前記第２ノードとの間に接続された第５スイッチと、
制御部とを備え、
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、前記交流電圧と前記直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、前記制御部は、前記交流電圧と前記直流電圧とが同符号になる前記交流電圧の半周期に第１のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期に第２のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、
前記第１のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第５スイッチを常時開にするとともに、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを閉にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを開にする第１制御状態と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを開にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを閉にする第２制御状態とを交互に繰り返し、
前記第２のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを常時開にし、前記第４スイッチを常時閉にし、前記第１スイッチおよび前記第５スイッチに相補的に開閉を繰り返させる、電力変換装置。
第１ノードおよび第２ノードと、
インダクタと、
前記インダクタの第１端と前記第１ノードとの間に接続された第１スイッチと、
前記インダクタの前記第１端と前記基準ノードとの間に接続された第２スイッチと、
前記インダクタの第２端と前記第２ノードとの間に接続された第３スイッチと、
前記インダクタの前記第２端と前記基準ノードとの間に接続された第４スイッチと、
前記インダクタの前記第１端と前記第２ノードとの間に接続された第５スイッチと、
制御部とを備え、
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、前記交流電圧と前記直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、前記制御部は、前記交流電圧と前記直流電圧とが同符号になる前記交流電圧の半周期に第１のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期に第２のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、
前記第１のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第５スイッチを常時開にするとともに、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを閉にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを開にする第１制御状態と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを開にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを閉にする第２制御状態とを交互に繰り返し、
前記第２のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを常時開にし、前記第４スイッチを常時閉にし、前記第１スイッチおよび前記第５スイッチに相補的に開閉を繰り返させる、電力変換装置。
【請求項2】
基準電位が与えられる基準ノードと、
第１ノードおよび第２ノードと、
インダクタと、
前記インダクタの第１端と前記第１ノードとの間に接続された第１スイッチと、
前記インダクタの前記第１端と前記基準ノードとの間に接続された第２スイッチと、
前記インダクタの第２端と前記第２ノードとの間に接続された第３スイッチと、
前記インダクタの前記第２端と前記基準ノードとの間に接続された第４スイッチと、
前記インダクタの前記第２端と前記第１ノードとの間に接続された第５スイッチと、
制御部とを備え、
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、前記交流電圧と前記直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、前記制御部は、前記交流電圧と前記直流電圧とが同符号になる前記交流電圧の半周期に第１のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期に第２のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、
前記第１のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第５スイッチを常時開にするとともに、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを閉にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを開にする第１制御状態と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを開にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを閉にする第２制御状態とを交互に繰り返し、
前記第２のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを常時開にし、前記第２スイッチを常時閉にし、前記第３スイッチおよび前記第５スイッチに相補的に開閉を繰り返させる、電力変換装置。
第１ノードおよび第２ノードと、
インダクタと、
前記インダクタの第１端と前記第１ノードとの間に接続された第１スイッチと、
前記インダクタの前記第１端と前記基準ノードとの間に接続された第２スイッチと、
前記インダクタの第２端と前記第２ノードとの間に接続された第３スイッチと、
前記インダクタの前記第２端と前記基準ノードとの間に接続された第４スイッチと、
前記インダクタの前記第２端と前記第１ノードとの間に接続された第５スイッチと、
制御部とを備え、
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、前記交流電圧と前記直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、前記制御部は、前記交流電圧と前記直流電圧とが同符号になる前記交流電圧の半周期に第１のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期に第２のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、
前記第１のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第５スイッチを常時開にするとともに、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを閉にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを開にする第１制御状態と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを開にして前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを閉にする第２制御状態とを交互に繰り返し、
前記第２のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを常時開にし、前記第２スイッチを常時閉にし、前記第３スイッチおよび前記第５スイッチに相補的に開閉を繰り返させる、電力変換装置。
【請求項3】
前記制御部は、前記第１のスイッチングモードにおいて、前記第１制御状態と前記第２制御状態との間に、前記第１スイッチおよび前記第３スイッチを開にして前記第２スイッチおよび前記第４スイッチを閉にする第３制御状態を実行する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の第１の直流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の第２の直流電圧が入出力されることにより、前記第１の直流電圧と前記第２の直流電圧との間で双方向の変換を行う直流－直流変換動作において、前記制御部は、前記第１の直流電圧と前記第２の直流電圧とが同符号の場合に前記第１のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、前記第１の直流電圧と前記第２の直流電圧とが異符号の場合に前記第２のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する第１の交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する第２の交流電圧が入出力されることにより、前記第１の交流電圧と前記第２の交流電圧との間で双方向の変換を行う交流－交流変換動作において、前記制御部は、前記第１の交流電圧と前記第２の交流電圧とが同符号になる期間において、前記第１のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御し、前記第１の交流電圧と前記第２の交流電圧とが異符号になる期間において、前記第２のスイッチングモードで前記第１～第５スイッチを制御する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記インダクタの前記第２端と前記第１ノードとの間に接続された第６スイッチをさらに備え、
前記制御部は、前記第１のスイッチングモードおよび前記第２のスイッチングモードにおいて、さらに前記第６スイッチを常時開にし、
前記制御部は、前記交流－直流変換動作で前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期において、前記第２のスイッチングモードに代えて第３のスイッチングモードで前記第１～第６スイッチを制御可能であり、
前記第３のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第１スイッチ、前記第４スイッチ、および前記第５スイッチを常時開にし、前記第２スイッチを常時閉にし、前記第３スイッチおよび前記第６スイッチに相補的に開閉を繰り返させる、請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御部は、前記第１のスイッチングモードおよび前記第２のスイッチングモードにおいて、さらに前記第６スイッチを常時開にし、
前記制御部は、前記交流－直流変換動作で前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期において、前記第２のスイッチングモードに代えて第３のスイッチングモードで前記第１～第６スイッチを制御可能であり、
前記第３のスイッチングモードにおいて、前記制御部は、前記第１スイッチ、前記第４スイッチ、および前記第５スイッチを常時開にし、前記第２スイッチを常時閉にし、前記第３スイッチおよび前記第６スイッチに相補的に開閉を繰り返させる、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記第１ノードが交流電圧または直流電圧が供給される架線に接続され、前記基準ノードがレールに接続される、請求項４に記載の電力変換装置を備え、前記電力変換装置は、前記架線から交流電圧が供給される場合に前記交流－直流変換動作を実行し、前記架線から直流電圧が供給される場合に前記直流－直流変換動作を実行し、
さらに、前記電力変換装置の前記第２ノードから出力される直流電圧を３相交流電圧に変換し、前記変換された３相交流電圧をモータに供給するインバータを備えた交流電車用電源回路。
さらに、前記電力変換装置の前記第２ノードから出力される直流電圧を３相交流電圧に変換し、前記変換された３相交流電圧をモータに供給するインバータを備えた交流電車用電源回路。
【請求項8】
電力変換装置の制御方法であって、
前記電力変換装置は、
基準電位が与えられる基準ノードと、
第１ノードおよび第２ノードと、
インダクタと、
前記インダクタの第１端および第２端と、前記基準ノード、前記第１ノードおよび前記第２ノードとの間の接続を切り替える切替回路とを含み、
前記制御方法は、
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、前記交流電圧と前記直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、
前記交流電圧と前記直流電圧とが同符号になる前記交流電圧の半周期に、前記切替回路を第１のスイッチングモードで制御するステップと、
前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期に、前記切替回路を第２のスイッチングモードで制御するステップとを備え、
前記切替回路を前記第１のスイッチングモードで制御するステップは、前記インダクタの前記第１端を前記第１ノードに接続し、前記インダクタの前記第２端を前記基準ノードに接続する第１制御状態と、前記インダクタの前記第１端を前記基準ノードに接続し、前記インダクタの前記第２端を前記第２ノードに接続する第２制御状態とを交互に繰り返すステップを含み、
前記切替回路を前記第２のスイッチングモードで制御するステップは、前記インダクタの前記第１端を前記第１ノードと前記第２ノードとに交互に接続し、前記インダクタの前記第２端を前記基準ノードに接続するか、または前記インダクタの前記第１端を前記基準ノードに接続し、前記インダクタの前記第２端を前記第１ノードと前記第２ノードとに交互に接続するステップを含む、電力変換装置の制御方法。
前記電力変換装置は、
基準電位が与えられる基準ノードと、
第１ノードおよび第２ノードと、
インダクタと、
前記インダクタの第１端および第２端と、前記基準ノード、前記第１ノードおよび前記第２ノードとの間の接続を切り替える切替回路とを含み、
前記制御方法は、
前記第１ノードにおいて前記基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、前記第２ノードにおいて前記基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、前記交流電圧と前記直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、
前記交流電圧と前記直流電圧とが同符号になる前記交流電圧の半周期に、前記切替回路を第１のスイッチングモードで制御するステップと、
前記交流電圧と前記直流電圧とが異符号になる前記交流電圧の半周期に、前記切替回路を第２のスイッチングモードで制御するステップとを備え、
前記切替回路を前記第１のスイッチングモードで制御するステップは、前記インダクタの前記第１端を前記第１ノードに接続し、前記インダクタの前記第２端を前記基準ノードに接続する第１制御状態と、前記インダクタの前記第１端を前記基準ノードに接続し、前記インダクタの前記第２端を前記第２ノードに接続する第２制御状態とを交互に繰り返すステップを含み、
前記切替回路を前記第２のスイッチングモードで制御するステップは、前記インダクタの前記第１端を前記第１ノードと前記第２ノードとに交互に接続し、前記インダクタの前記第２端を前記基準ノードに接続するか、または前記インダクタの前記第１端を前記基準ノードに接続し、前記インダクタの前記第２端を前記第１ノードと前記第２ノードとに交互に接続するステップを含む、電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電力変換装置およびその制御方法ならびに交流電車用電源回路に関する。
【背景技術】
【0002】
入力交流電圧が全波整流された全波整流電圧と出力直流電圧との大小関係に基づいてスイッチングモードを切り替えるＰＦＣ（Power Factor Correction：力率改善）コンバータが知られている。たとえば、特開２０１６－０３２３５０号公報（特許文献１）に開示された電力変換装置は、全波整流電圧が出力直流電圧よりも小さいときに昇圧モードで動作し、全波整流電圧が出力直流電圧よりも大きいときに降圧モードで動作し、全波整流電圧が出力直流電圧に等しいときに昇降圧モードで動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－０３２３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記文献の電力変換装置では、全波整流用のブリッジ回路が設けられているために、損失が比較的大きく、双方向電力潮流制御ができない。本開示の目的の一つは、交流電力と直流電力との間の双方向変換が可能なブリッジレスの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】
【0005】
一実施形態の電力変換装置は、基準電位が与えられる基準ノードと、第１ノードおよび第２ノードと、インダクタと、第１スイッチと、第２スイッチと、第３スイッチと、第４スイッチと、第５スイッチと、制御部とを備える。第１スイッチは、インダクタの第１端と第１ノードとの間に接続される。第２スイッチは、インダクタの第１端と基準ノードとの間に接続される。第３スイッチは、インダクタの第２端と第２ノードとの間に接続される。第４スイッチは、インダクタの第２端と基準ノードとの間に接続される。第５スイッチは、インダクタの第１端と第２ノードとの間に接続される。第１ノードにおいて基準電位に対して正および負に変化する交流電圧が入出力され、第２ノードにおいて基準電位に対して正または負の直流電圧が入出力されることにより、交流電圧と直流電圧との間で双方向の変換を行う交流－直流変換動作において、制御部は、交流電圧と直流電圧とが同符号になる交流電圧の半周期に第１のスイッチングモードで第１～第５スイッチを制御し、交流電圧と直流電圧とが異符号になる交流電圧の半周期に第２のスイッチングモードで第１～第５スイッチを制御する。ここで、第１のスイッチングモードにおいて、制御部は、第５スイッチを常時開にするとともに、第１スイッチおよび第４スイッチを閉にして第２スイッチおよび第３スイッチを開にする第１制御状態と、第１スイッチおよび第４スイッチを開にして第２スイッチおよび第３スイッチを閉にする第２制御状態とを交互に繰り返す。第２のスイッチングモードにおいて、制御部は、第２スイッチおよび第３スイッチを常時開にし、第４スイッチを常時閉にし、第１スイッチおよび第５スイッチに相補的に開閉を繰り返させる。
【発明の効果】
【0006】
上記のブリッジレス電力変換装置によれば、交流電圧の半周期ごとに第１のスイッチングモードと第２のスイッチングモードとを切り替えて第１～第５スイッチを制御することにより、交流電圧と直流電圧との間で双方向の変換が可能になる。さらに、ＰＦＣ制御および高調波除去用のローパスフィルタ（平滑用コンデンサなど）と組み合わせることにより、原理的には力率０．９９９およびＴＨＤ（全高調波歪み：Total Harmonic Distortion）２～３％の電力変換が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】回路方式１を有する電力変換装置の構成図である。
【図4】回路方式２を有する電力変換装置の構成図である。
【図6】回路方式３を有する電力変換装置の構成図である。
【図9】電力変換装置の力行動作（臨界モード制御）における実験結果を示す図である。
【図10】電力変換装置の回生動作（臨界モード制御）における実験結果を示す図である。
【図11】電力変換装置の力行動作（連続モード制御）における実験結果を示す図である。
【図12】電力変換装置の交流－交流変換動作を説明するための図である。
【図13】電力変換装置の交流－交流変換動作における制御方法を示すフローチャートである。
【図14】交流電車用電源回路の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。
【0009】
＜実施の形態１＞
実施の形態１では、双方向ブリッジレスＰＦＣコンバータとして３つの回路方式を提案する。さらに、力行動作および回生動作の場合の実験結果を示す。本開示では、交流電圧を直流電圧に変換する順変換の場合を力行動作と称し、直流電圧を交流電圧に変換する逆変換の場合を回生動作と称する。力行動作と回生動作とを合わせて交流－直流変換動作と称する。なお、本回路方式によれば、双方向の直流－直流変換動作も可能である。
実施の形態１では、双方向ブリッジレスＰＦＣコンバータとして３つの回路方式を提案する。さらに、力行動作および回生動作の場合の実験結果を示す。本開示では、交流電圧を直流電圧に変換する順変換の場合を力行動作と称し、直流電圧を交流電圧に変換する逆変換の場合を回生動作と称する。力行動作と回生動作とを合わせて交流－直流変換動作と称する。なお、本回路方式によれば、双方向の直流－直流変換動作も可能である。
【0010】
［回路方式１］
（構成）
図１は、回路方式１を有する電力変換装置の構成図である。図１に示すように、電力変換装置３Ａは、第１ノード（node）対１１，１２と、第２ノード対１３，１４と、インダクタ１６と、第１～第５スイッチＳａ～Ｓｅとを備える。
（構成）
図１は、回路方式１を有する電力変換装置の構成図である。図１に示すように、電力変換装置３Ａは、第１ノード（node）対１１，１２と、第２ノード対１３，１４と、インダクタ１６と、第１～第５スイッチＳａ～Ｓｅとを備える。
【0011】
第１ノード対１１と１２の間に単相の交流電源１が接続される。第２ノード対１３と１４との間には、力行動作の場合に負荷が接続され、回生動作の場合には等価的な直流電源２が接続される。第１ノード１２と第２ノード１４とは配線によって直結され、基準電位として接地電位（０Ｖ）が与えられる。
【0012】
以下、基準電位が与えられる第１ノード１２と第２ノード１４とを総称して基準ノード１５と称する。この場合、第１ノード１１には基準電位に対して正および負に変化する交流電圧Ｖ１が入力されるか（力行動作）、または第１ノード１１は当該交流電圧Ｖ１を出力する（回生動作）。第２ノード１３は基準電位に対して正または負の直流電圧Ｖ２を出力するか（力行動作）、または第２ノード１３には当該直流電圧Ｖ２が入力される（回生動作）。
【0013】
スイッチＳａは、インダクタ１６の第１端１７と第１ノード１１との間に接続される。スイッチＳｂは、インダクタ１６の第１端１７と基準ノード１５との間に接続される。スイッチＳｃは、インダクタ１６の第２端１８と第２ノード１３との間に接続される。スイッチＳｄは、インダクタ１６の第２端１８と基準ノード１５との間に接続される。スイッチＳｅは、インダクタ１６の第１端１７と第２ノード１３との間に接続される。
【0014】
スイッチＳａ～Ｓｅは、たとえば、高電圧を高速にスイッチングできるパワー半導体素子を用いて構成される。図３を参照して後述するように、スイッチＳａ～Ｓｅは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）を用いて構成してもよいし、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）、バイポーラトランジスタ、またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いてもよい。バイポーラトランジスタおよびＩＧＢＴなどの場合には、各パワー半導体素子はそれぞれに逆並列に接続された環流ダイオードとともに用いられる。また、これらのパワー半導体素子の材料として、Ｓｉ、ＳｉＣ、またはＧａＮなどを用いてもよい。
【0015】
電力変換装置３Ａは、さらに、第１および第２の電圧検出器２１，２２と、電流検出器２３とを備える。電圧検出器２１は、第１ノード対１１と１２との間の電圧Ｖ１（交流電圧の瞬時値）を検出する。電圧検出器２２は、第２ノード対１３と１４との間の電圧Ｖ２（直流電圧）を検出する。電流検出器２３は、インダクタ１６に流れるインダクタ電流ＩＬを検出する。電力変換装置３Ａは、さらに、第１ノード１１に流れる電流Ｉ１を検出する電流検出器２４、および第２ノード１３に流れる電流Ｉ２を検出する電流検出器２５を備えていてもよい。
【0016】
また、図１に示すように、第１ノード対１１と１２との間および第２ノード対１３と１４との間に、それぞれ平滑用コンデンサ３１，３２を設けるのが望ましい。これにより、高調波が除去できるので、ＰＦＣ制御の際に力率をさらに高めることができる。
【0017】
電力変換装置３Ａは、さらに、電圧検出器２１，２２と電流検出器２３～２５との各検出値に基づいて、スイッチＳａ～Ｓｅのスイッチングを制御する制御部２０を備える。制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含むマイクロコンピュータに基づいて構成されていてもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって構成されていてもよいし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用の回路によって構成されていてもよい。もしくは、制御部２０は、上記の２つ以上の組み合わせによって構成されていてもよい。
【0018】
（交流－直流変換動作）
図２は、図１の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。図２では、交流電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２の時間波形と、それに対応するスイッチＳａ～Ｓｅの開閉動作が概念的に示されている。制御部２０は、交流電圧Ｖ１の瞬時値と直流電圧Ｖ２とが同符号か異符号かに基づいて、スイッチＳａ～Ｓｅの開閉を制御する。具体的に、電力変換装置３Ａは以下の２つのスイッチングモードを有する。
図２は、図１の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。図２では、交流電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２の時間波形と、それに対応するスイッチＳａ～Ｓｅの開閉動作が概念的に示されている。制御部２０は、交流電圧Ｖ１の瞬時値と直流電圧Ｖ２とが同符号か異符号かに基づいて、スイッチＳａ～Ｓｅの開閉を制御する。具体的に、電力変換装置３Ａは以下の２つのスイッチングモードを有する。
【0019】
【0020】
（１）第１のスイッチングモード
交流電圧Ｖ１の瞬時値が直流電圧Ｖ２と同符号となる交流電圧Ｖ１の正の半周期（時刻ｔ１からｔ２の期間）において、制御部２０は、スイッチＳｅを常時開にするとともに、スイッチＳａおよびスイッチＳｄを閉にしてスイッチＳｂおよびスイッチＳｃを開にする第１制御状態（区間Ｔ１）と、スイッチＳａおよびスイッチＳｄを開にしてスイッチＳｂおよびスイッチＳｃを閉にする第２制御状態（区間Ｔ３）とを交互に繰り返す。
交流電圧Ｖ１の瞬時値が直流電圧Ｖ２と同符号となる交流電圧Ｖ１の正の半周期（時刻ｔ１からｔ２の期間）において、制御部２０は、スイッチＳｅを常時開にするとともに、スイッチＳａおよびスイッチＳｄを閉にしてスイッチＳｂおよびスイッチＳｃを開にする第１制御状態（区間Ｔ１）と、スイッチＳａおよびスイッチＳｄを開にしてスイッチＳｂおよびスイッチＳｃを閉にする第２制御状態（区間Ｔ３）とを交互に繰り返す。
【0021】
さらに、制御部２０は、第１制御状態と第２制御状態との間に、スイッチＳａおよびスイッチＳｃを開にしてスイッチＳｂおよびスイッチＳｄを閉にする第３制御状態（区間Ｔ２，Ｔ４）を実行するのが望ましい。第３制御状態は、交流電圧Ｖ１の両極間および直流電圧Ｖ２の両極間の短絡を防止するためのデッドタイムを与えるために設けられる。デッドタイムを含めると、制御部２０は、第１のスイッチングモードでは、図２の区間Ｔ１から区間Ｔ４までのスイッチング動作を繰り返し実行する。
【0022】
第１のスイッチングモードにおける電力変換装置３Ａは、入力電圧の極性と出力電圧の極性とが反転しない、いわゆる非反転昇降圧コンバータとして動作する。
【0023】
具体的に、力行動作の第１制御状態（Ｓａ：閉、Ｓｂ：開、Ｓｃ：開、Ｓｄ：閉、Ｓｅ：開）の場合、電流は、交流電源１（正の半周期）、スイッチＳａ、インダクタ１６、スイッチＳｄ、交流電源１の順に流れる。力行動作の第２制御状態（Ｓａ：開、Ｓｂ：閉、Ｓｃ：閉、Ｓｄ：開、Ｓｅ：開）の場合、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｃ、負荷（直流電源２）、スイッチＳｂ、インダクタ１６の順に流れる。力行動作の第３制御状態（Ｓａ：開、Ｓｂ：閉、Ｓｃ：開、Ｓｄ：閉、Ｓｅ：開）の場合、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｄ、スイッチＳｂ、インダクタ１６の順に流れる。このように、第１のスイッチングモードにおける力行動作の場合、インダクタ電流ＩＬは正方向に流れる。
【0024】
一方、第１のスイッチングモードにおける回生動作の第１制御状態（Ｓａ：閉、Ｓｂ：開、Ｓｃ：開、Ｓｄ：閉、Ｓｅ：開）の場合、電流は、インダクタ１６、スイッチＳａ、交流電源１、スイッチＳｄ、インダクタ１６の順に流れる。回生動作の第２制御状態（Ｓａ：開、Ｓｂ：閉、Ｓｃ：閉、Ｓｄ：開、Ｓｅ：開）の場合、電流は、直流電源２、スイッチＳｃ、インダクタ１６、スイッチＳｂ、直流電圧Ｖ２の順に流れる。回生動作の第３制御状態（Ｓａ：開、Ｓｂ：閉、Ｓｃ：開、Ｓｄ：閉、Ｓｅ：開）の場合、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｂ、スイッチＳｄ、インダクタ１６の順に流れる。このように、第１のスイッチングモードにおける回生動作の場合、インダクタ電流ＩＬは負方向に流れる。
【0025】
（２）第２のスイッチングモード
交流電圧Ｖ１の瞬時値が直流電圧Ｖ２と異符号となる交流電圧Ｖ１の負の半周期（時刻ｔ２からｔ３の期間）において、制御部２０は、スイッチＳｂおよびスイッチＳｃを常時開にし、スイッチＳｄを常時閉にし、スイッチＳａおよびスイッチＳｅに相補的に開閉を繰り返させる。すなわち、第２のスイッチングモードでは、制御部２０は、図２の区間Ｔ５およびＴ６のスイッチング動作を繰り返し実行する。
交流電圧Ｖ１の瞬時値が直流電圧Ｖ２と異符号となる交流電圧Ｖ１の負の半周期（時刻ｔ２からｔ３の期間）において、制御部２０は、スイッチＳｂおよびスイッチＳｃを常時開にし、スイッチＳｄを常時閉にし、スイッチＳａおよびスイッチＳｅに相補的に開閉を繰り返させる。すなわち、第２のスイッチングモードでは、制御部２０は、図２の区間Ｔ５およびＴ６のスイッチング動作を繰り返し実行する。
【0026】
第２のスイッチングモードにおける電力変換装置３Ａは、入力電圧の極性と出力電圧の極性とが反転する、いわゆる昇降圧コンバータとして動作する。なお、本開示では、非反転昇降圧コンバータと明確に区別するために、反転昇降圧コンバータとも称する。
【0027】
具体的に力行動作の場合には、スイッチＳａが閉でスイッチＳｅが開のとき（図２の区間Ｔ５）、電流は、交流電源１（負の半周期）、スイッチＳｄ、インダクタ１６、スイッチＳａ、交流電源１の順に流れる。逆に、スイッチＳａが開でスイッチＳｅが閉のとき（図２の区間Ｔ６）、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｅ、負荷（直流電源２）、スイッチＳｄ、インダクタ１６の順に流れる。このように、インダクタ電流ＩＬは負方向に流れる。
【0028】
一方、第２のスイッチングモードにおける回生動作の場合には、スイッチＳａが閉でスイッチＳｅが開のとき（図２の区間Ｔ５）、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｄ、交流電源１（負の半周期）、スイッチＳａ、インダクタ１６の順に流れる。逆に、スイッチＳａが開でスイッチＳｅが閉のとき（図２の区間Ｔ６）、電流は、直流電源２、スイッチＳｅ、インダクタ１６、スイッチＳｄ、直流電源２の順に流れる。このように、インダクタ電流ＩＬは正方向に流れる。
【0029】
制御部２０は、さらに、第１および第２のスイッチングモードに共通して、高調波成分を低減させるためにＰＦＣ制御を行う。具体的に、制御部２０は、インダクタ電流ＩＬの検出値が所望の電流波形になるように開閉動作させるスイッチの開閉タイミングを制御する。これにより、第１ノード１１を流れる交流電流Ｉ１の波形を正弦波に近付けるように、結果として交流電流Ｉ１が正弦波の交流電圧Ｖ１に相似形になるようにする。このインダクタ電流ＩＬの制御方法には、連続モード制御、不連続モード制御、および臨界モード制御の３つの制御方法が知られており、そのいずれを用いてもよい。さらに、インダクタ電流ＩＬを、交流電流Ｉ１の検出値または直流電流Ｉ２の検出値に基づいて制御してもよい。
【0030】
第１のスイッチングモードにおいて連続モード制御を行う場合において、開閉スイッチをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御した場合の通流率をＤとすると、区間Ｔ２および区間Ｔ４のデッドタイムを無視できる場合には、第１ノード対１１と１２との間の電圧Ｖ１と第２ノード対１３と１４との間の電圧Ｖ２との比は、
Ｖ２／Ｖ１＝Ｄ／（１－Ｄ） …(1)
で表される。また、第２のスイッチングモードにおいて連続モード制御を行う場合において、開閉スイッチの通電率をＤとすると、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との比は、
Ｖ２／Ｖ１＝－Ｄ／（１－Ｄ） …(2)
で表される。したがって、入力電圧に応じて通流率Ｄを変更することにより、所望の出力電圧を得ることができる。臨界モード制御および不連続モード制御の場合も同様に、通流率Ｄの制御により、所望の出力電圧を得ることができる。
Ｖ２／Ｖ１＝Ｄ／（１－Ｄ） …(1)
で表される。また、第２のスイッチングモードにおいて連続モード制御を行う場合において、開閉スイッチの通電率をＤとすると、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との比は、
Ｖ２／Ｖ１＝－Ｄ／（１－Ｄ） …(2)
で表される。したがって、入力電圧に応じて通流率Ｄを変更することにより、所望の出力電圧を得ることができる。臨界モード制御および不連続モード制御の場合も同様に、通流率Ｄの制御により、所望の出力電圧を得ることができる。
【0031】
なお、前述のように、電力変換装置３Ａは、第１のスイッチングモードにおいて非反転昇降圧コンバータとして動作し、第２のスイッチングモードにおいて（反転）昇降圧コンバータとして動作する。したがって、これらの回路を利用したＰＦＣ制御で実現されている力率＝０．９９９およびＴＨＤ＝２～３％は、本実施形態の電力変換装置３Ａにおいても実現可能である。
【0032】
（具体的構成例）
次に、図１のスイッチＳａ～ＳｅをＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳＦＥＴと記載する）で構成した例について、図３を参照して説明する。パワーＭＯＳＦＥＴの材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いると、シリコン（Ｓｉ）製のパワーＭＯＳＦＥＴに比べて、高耐圧、低損失、高速動作が期待されるので望ましい。なお、他の種類の半導体素子を用いた場合も図３と同様の構成とすることができる。たとえば、ＩＧＢＴを用いた場合には、パワーＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに代えて逆並列に接続された環流ダイオードが設けられる。
次に、図１のスイッチＳａ～ＳｅをＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳＦＥＴと記載する）で構成した例について、図３を参照して説明する。パワーＭＯＳＦＥＴの材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いると、シリコン（Ｓｉ）製のパワーＭＯＳＦＥＴに比べて、高耐圧、低損失、高速動作が期待されるので望ましい。なお、他の種類の半導体素子を用いた場合も図３と同様の構成とすることができる。たとえば、ＩＧＢＴを用いた場合には、パワーＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに代えて逆並列に接続された環流ダイオードが設けられる。
【0033】
図３は、図１の第１から第５スイッチの具体的構成を示す回路図である。図３に示すように、第１から第５スイッチＳａ～Ｓｅの各々は、ソースからドレインの方向を逆方向にした２個のＮＭＯＳＦＥＴを直列に接続する（以下、「逆直列接続」と称する）ことによって構成される。これによって、スイッチＳａ～Ｓｅの各々を開状態（オフ状態）にしたときに、寄生ダイオードを介して電流が流れないようにできる。
【0034】
具体的に、図３において、スイッチＳａは逆直列接続された２個のＮＭＯＳＦＥＴＮＭａ１，ＮＭａ２によって構成される。同様に、スイッチＳｂは逆直列接続されたＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１，ＮＭｂ２によって構成され、スイッチＳｃは逆直列接続されたＮＭＯＳＦＥＴＮＭｃ１，ＮＭｃ２によって構成され、スイッチＳｄは逆直列接続されたＮＭＯＳＦＥＴＮＭｄ１，ＮＭｄ２によって構成され、スイッチＳｅは逆直列接続されたＮＭＯＳｆＥＴＮＭｅ１，ＮＭｅ２によって構成される。
【0035】
たとえば、図３のスイッチＳｂの場合、ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１のソースＳは、基準ノード１５に接続され、ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１のドレインＤは、ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ２のドレインＤに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ２のソースＳはインダクタ１６の第１端１７に接続される。この場合、ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１の寄生ダイオードＰＤとＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ２の寄生ダイオードＰＤとは逆方向になるので、ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１，ＮＭｂ２がオフ状態のときに、それぞれの寄生ダイオードＰＤを介して電流が流れないようにできる。なお、ＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１，ＮＭｂ２を図３の場合と逆方向に接続してもよい。すなわち、図３のようにドレインＤ同士を直結するようにＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１，ＮＭｂ２を直列接続しても、逆にソースＳ同士を直結するようにＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１，ＮＭｂ２を直列接続してもよい。いずれの場合もＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１，ＮＭｂ２がオフ状態のときに、それぞれの寄生ダイオードＰＤを介した電流の流れを防止できる。
【0036】
スイッチＳａ～Ｓｆの各々を構成する２個のＮＭＯＳＦＥＴのゲートには、基本的には同じハイレベル（Ｈレベル）またはロウレベル（Ｌレベル）の信号が入力される。ただし、環流ダイオードとして動作させるスイッチについては、一方のゲート信号をＨレベルにし、他方のゲート信号をＬレベルにすることによりダイオード動作させてもよい。なお、この場合も、環流ダイオードでの電圧降下を避けるためには、当該スイッチを構成する２個のＮＭＯＳＦＥＴに同じ信号を入力することにより、いわゆる同期整流させたほうが望ましい。
【0037】
［回路方式２］
（構成）
図４は、回路方式２を有する電力変換装置の構成図である。図４の電力変換装置３Ｂは、第５スイッチＳｅの接続が図１の電力変換装置３Ａの場合と異なる。すなわち、図１の電力変換装置３Ａの場合には、スイッチＳｅはインダクタ１６の第１端１７と第２ノード１３との間に接続されていたのに対し、図４の電力変換装置３Ｂの場合には、スイッチＳｅはインダクタ１６の第２端１８と第１ノード１１との間に接続される。図４のその他の点は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、図４では、平滑用コンデンサ３１，３２の図示を省略している。
（構成）
図４は、回路方式２を有する電力変換装置の構成図である。図４の電力変換装置３Ｂは、第５スイッチＳｅの接続が図１の電力変換装置３Ａの場合と異なる。すなわち、図１の電力変換装置３Ａの場合には、スイッチＳｅはインダクタ１６の第１端１７と第２ノード１３との間に接続されていたのに対し、図４の電力変換装置３Ｂの場合には、スイッチＳｅはインダクタ１６の第２端１８と第１ノード１１との間に接続される。図４のその他の点は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、図４では、平滑用コンデンサ３１，３２の図示を省略している。
【0038】
（交流－直流変換動作）
図５は、図４の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。図５では、図２の場合と同様に、交流電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２の時間波形と、それに対応するスイッチＳａ～Ｓｅの開閉動作が概念的に示されている。図５に示すように、第１のスイッチングモード（時刻ｔ１からｔ２の期間）の場合のスイッチＳａ～Ｓｅの開閉動作は、図２の場合と同様であるので、説明を繰り返さない。
図５は、図４の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。図５では、図２の場合と同様に、交流電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２の時間波形と、それに対応するスイッチＳａ～Ｓｅの開閉動作が概念的に示されている。図５に示すように、第１のスイッチングモード（時刻ｔ１からｔ２の期間）の場合のスイッチＳａ～Ｓｅの開閉動作は、図２の場合と同様であるので、説明を繰り返さない。
【0039】
以下、第２のスイッチングモード、すなわち、交流電圧Ｖ１の瞬時値が直流電圧Ｖ２と異符号となる交流電圧Ｖ１の負の半周期（時刻ｔ２からｔ３の期間）の場合について説明する。この場合、制御部２０は、スイッチＳａおよびスイッチＳｄを常時開にし、スイッチＳｂを常時閉にし、スイッチＳｃおよびスイッチＳｅに相補的に開閉を繰り返させる。すなわち、第２のスイッチングモードでは、制御部２０は、図５の区間Ｔ５およびＴ６のスイッチング動作を繰り返し実行する。
【0040】
第２のスイッチングモードにおける電力変換装置３Ｂは、入力電圧の極性と出力電圧の極性とが反転する、いわゆる昇降圧コンバータとして動作する。
【0041】
具体的に力行動作の場合には、スイッチＳｅが閉でスイッチＳｃが開のとき（図５の区間Ｔ５）、電流は、交流電源１（負の半周期）、スイッチＳｂ、インダクタ１６、スイッチＳｅ、交流電源１の順に流れる。逆に、スイッチＳｅが開でスイッチＳｃが閉のとき（図５の区間Ｔ６）、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｃ、負荷（直流電源２）、スイッチＳｂ、インダクタ１６の順に流れる。このように、インダクタ電流ＩＬは正方向に流れる。
【0042】
一方、第２のスイッチングモードにおける回生動作の場合には、スイッチＳｅが閉でスイッチＳｃが開のとき、電流は、インダクタ１６、スイッチＳｂ、交流電源１（負の半周期）、スイッチＳｅ、インダクタ１６の順に流れる。逆に、スイッチＳｅが開でスイッチＳｃが閉のとき、電流は、直流電源２、スイッチＳｃ、インダクタ１６、スイッチＳｂ、直流電源２の順に流れる。このように、インダクタ電流ＩＬは負方向に流れる。
【0043】
さらに、制御部２０は、回路方式１の場合と同様に第１および第２のスイッチングモードに共通して、高調波成分を低減させるためにＰＦＣ制御を行う。
【0044】
（具体的構成例）
回路方式２の場合も、図３の場合と同様にＮＭＯＳＦＥＴを用いて電力変換装置３Ｂを構成できる。ただし、回路方式２の場合には、スイッチＳｂおよびスイッチＳｃは、開状態のときに寄生ダイオードを介して導通する可能性がないので、図３のＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１およびＮＭＯＳＦＥＴＮＭｃ１のみによって構成できる。スイッチＳａ，Ｓｄ，Ｓｅの各々は、ソースからドレインの方向を逆方向にした２個のＮＭＯＳＦＥＴを直列に接続することによって構成される。
回路方式２の場合も、図３の場合と同様にＮＭＯＳＦＥＴを用いて電力変換装置３Ｂを構成できる。ただし、回路方式２の場合には、スイッチＳｂおよびスイッチＳｃは、開状態のときに寄生ダイオードを介して導通する可能性がないので、図３のＮＭＯＳＦＥＴＮＭｂ１およびＮＭＯＳＦＥＴＮＭｃ１のみによって構成できる。スイッチＳａ，Ｓｄ，Ｓｅの各々は、ソースからドレインの方向を逆方向にした２個のＮＭＯＳＦＥＴを直列に接続することによって構成される。
【0045】
［回路方式３］
（構成）
図６は、回路方式３を有する電力変換装置の構成図である。図６の電力変換装置３Ｃは、第６スイッチＳｆをさらに含む点で図１の電力変換装置３Ａと異なる。スイッチＳｆは、インダクタ１６の第２端１８と第１ノード１１との間に接続される。図６のその他の点は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、図６では、平滑用コンデンサ３１，３２の図示を省略している。
（構成）
図６は、回路方式３を有する電力変換装置の構成図である。図６の電力変換装置３Ｃは、第６スイッチＳｆをさらに含む点で図１の電力変換装置３Ａと異なる。スイッチＳｆは、インダクタ１６の第２端１８と第１ノード１１との間に接続される。図６のその他の点は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、図６では、平滑用コンデンサ３１，３２の図示を省略している。
【0046】
（交流－直流変換動作）
図７は、図６の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。図７では、図２および図５の場合と同様に、交流電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２の時間波形と、それに対応するスイッチＳａ～Ｓｆの開閉動作が概念的に示されている。
図７は、図６の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。図７では、図２および図５の場合と同様に、交流電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２の時間波形と、それに対応するスイッチＳａ～Ｓｆの開閉動作が概念的に示されている。
【0047】
【0048】
具体的に、制御部２０は、第１のスイッチングモード（時刻ｔ１からｔ２の期間）において、スイッチＳｅ，Ｓｆを常時開にする。スイッチＳａ～Ｓｄの開閉状態は、図２の回路方式１および図５の回路方式２の場合と同様であるので説明を繰り返さない。
【0049】
第２のスイッチングモード、すなわち、交流電圧Ｖ１の瞬時値が基準電位（０Ｖ）よりも低い負電圧となる期間（時刻ｔ２からｔ３の期間）においては、図２に示す回路方式１の場合と同様に制御することもできるし、図５に示す回路方式２の場合と同様に制御することもできる。
【0050】
具体的に、図７においてその１として示すように、制御部２０は、スイッチＳｄを常時閉にし、スイッチＳｂ，Ｓｃ，Ｓｆを常時開にし、スイッチＳａ，Ｓｅについて相補的に開閉を繰り返させてもよい。この場合、電力変換装置３Ｃは、回路方式１の電力変換装置３Ａと同様に動作する。
【0051】
もしくは、図７においてその２として示すように、制御部２０は、スイッチＳｂを常時閉にし、スイッチＳａ，Ｓｄ，Ｓｅを常時開にし、スイッチＳｃ，Ｓｆについて相補的に開閉を繰り返させてもよい。この場合、回路方式２の電力変換装置３ＢにおいてスイッチＳｅをスイッチＳｆと読み替えることにより、電力変換装置３Ｃは、回路方式２の電力変換装置３Ｂと同様に動作する。
【0052】
さらに、制御部２０は、回路方式１の場合と同様に第１および第２のスイッチングモードに共通して、高調波成分を低減させるためにＰＦＣ制御を行う。
【0053】
（具体的構成例）
回路方式３の場合も、図３の場合と同様にＮＭＯＳＦＥＴを用いて電力変換装置３Ｃを構成できる。具体的に、スイッチＳａ～Ｓｆの各々は、ソースからドレインの方向を逆方向にした２個のＮ型ＭＯＳＦＥＴを直列に接続することによって構成される。
回路方式３の場合も、図３の場合と同様にＮＭＯＳＦＥＴを用いて電力変換装置３Ｃを構成できる。具体的に、スイッチＳａ～Ｓｆの各々は、ソースからドレインの方向を逆方向にした２個のＮ型ＭＯＳＦＥＴを直列に接続することによって構成される。
【0054】
［直流－直流変換動作］
図１、図４、図６に示す電力変換装置３Ａ～３Ｃは、直流－直流変換動作を実行することもできる。直流－直流変換動作の場合、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、第１ノードにおいて基準電位に対して正または負の第１の直流電圧が入出力され、第２ノードにおいて基準電位に対して正または負の第２の直流電圧が入出力されることにより、第１の直流電圧と第２の直流電圧との間で双方向の変換を行う。
図１、図４、図６に示す電力変換装置３Ａ～３Ｃは、直流－直流変換動作を実行することもできる。直流－直流変換動作の場合、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、第１ノードにおいて基準電位に対して正または負の第１の直流電圧が入出力され、第２ノードにおいて基準電位に対して正または負の第２の直流電圧が入出力されることにより、第１の直流電圧と第２の直流電圧との間で双方向の変換を行う。
【0055】
より詳細には、制御部２０は、上記の第１の直流電圧と第２の直流電圧とが同符号の場合に前述の第１のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御し、第１の直流電圧と第２の直流電圧とが異符号の場合に前述の第２のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御する。
【0056】
［交流－直流変換動作における電力変換装置３Ａ～３Ｃの制御方法のまとめ］
以下、交流－直流変換動作における電力変換装置３Ａ～３Ｃの制御方法について、これまでの説明を総括して統一的に説明する。具体的に、図１、図４および図６の電力変換装置３Ａ～３Ｃのいずれの場合も、インダクタ１６の第１端１７および第２端１８と、第１ノード１１、第２ノード１３、および基準ノード１５との間の接続を切り替える切替回路１０Ａ～１０Ｃを備えると考えることができる。
以下、交流－直流変換動作における電力変換装置３Ａ～３Ｃの制御方法について、これまでの説明を総括して統一的に説明する。具体的に、図１、図４および図６の電力変換装置３Ａ～３Ｃのいずれの場合も、インダクタ１６の第１端１７および第２端１８と、第１ノード１１、第２ノード１３、および基準ノード１５との間の接続を切り替える切替回路１０Ａ～１０Ｃを備えると考えることができる。
【0057】
図８は、図１、図４および図６に示す電力変換装置の切替回路の制御方法を示すフローチャートである。制御部２０は、電圧検出器２１の検出値に基づいて、現時点において、交流電圧Ｖ１の瞬時値と直流電圧Ｖ２とが同符号（すなわち、直流電圧＞０として、交流電圧＞０）であるか（ステップＳ１０）、または交流電圧Ｖ１の瞬時値と直流電圧Ｖ２とが異符号（すなわち、直流電圧＞０として、交流電圧＜０）であるか（ステップＳ３０）を判定する。
【0058】
現時点において、交流電圧Ｖ１の瞬時値と直流電圧Ｖ２とが同符号の場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）、制御部２０は、第１のスイッチングモードで（すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃが非反転昇降圧コンバータとして動作するように）切替回路１０Ａ～１０Ｃを制御する（ステップＳ２０）。
【0059】
より詳細には、第１のスイッチングモードにおいて、制御部２０は、インダクタ１６の第１端１７を第１ノード１１に接続してインダクタ１６の第２端１８を基準ノード１５に接続する第１制御状態と、インダクタ１６の第１端１７を基準ノード１５に接続してインダクタ１６の第２端１８を第２ノード１３に接続する第２制御状態とを繰り返す。制御部２０は、第１制御状態と第２制御状態との間に、インダクタ１６の第１端１７および第２端１８を共に基準ノード１５に接続する第３制御状態を実行してもよい。
【0060】
現時点において、交流電圧Ｖ１の瞬時値と直流電圧Ｖ２とが異符号の場合（ステップＳ３０でＹＥＳ）、制御部２０は、第２のスイッチングモードで（すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃが昇降圧コンバータとして動作するように）切替回路１０Ａ～１０Ｃを制御する（ステップＳ４０）。
【0061】
より詳細には、第２のスイッチングモードにおいて、制御部２０は、インダクタ１６の第１端１７を第１ノード１１と第２ノード１３とに交互に接続してインダクタ１６の第２端１８を基準ノード１５に接続するか、またはインダクタ１６の第２端１８を第１ノード１１と第２ノード１３とに交互に接続してインダクタ１６の第１端１７を基準ノード１５に接続する。
【0062】
なお、交流電圧が０の場合に、制御部２０は、第１および第２のスイッチングモードの切り替えを行う（ステップＳ５０）。
【0063】
【0064】
図９は、電力変換装置の力行動作（臨界モード制御）における実験結果を示す図である。図９では、上から順に、図４の電圧検出器２１で測定される入力交流電圧Ｖ１の波形、電流検出器２３で測定されるインダクタ電流ＩＬの波形、電圧検出器２２で測定される出力直流電圧Ｖ２の波形が示されている。図９に示す実験例では、臨界モードを用いてＰＦＣ制御が実行されている。
【0065】
図９に示すように、スイッチングモードの切り替え時である交流電圧＝０の付近において、途切れなく滑らかに電圧および電流の制御できていることがわかる。また、スイッチングモードの切り替えは、交流電圧の正負判定によって行うことができるので、容易に制御できる。
【0066】
図１０は、電力変換装置の回生動作（臨界モード制御）における実験結果を示す図である。図１０では、上から順に、図４の電圧検出器２１で測定される出力交流電圧Ｖ１の波形、電流検出器２３で測定されるインダクタ電流ＩＬの波形、電圧検出器２２で測定される入力直流電圧Ｖ２の波形が示されている。図１０に示す実験例では、臨界モードを用いてＰＦＣ制御が実行されている。
【0067】
図１０に示すように、スイッチングモードの切り替え時である交流電圧＝０付近において、途切れなく滑らかに電圧および電流の制御できていることがわかる。また、交流電圧＝０付近のスイッチングモードの切り替え時において、制御のハンチングを起こさないために休止期間が設けられている。この休止期間では、スイッチＳｂおよびスイッチＳｄを閉にし、他のスイッチＳａ，Ｓｃ，Ｓｅ，（Ｓｆ）を開にする前述の第３制御状態が実行され、インダクタ電流ＩＬはほぼ０になる。休止期間の長さは図１０の場合よりも短く設定してよい。
【0068】
図１１は、電力変換装置の力行動作（連続モード制御）における実験結果を示す図である。図１１では、上から順に、図４の電圧検出器２１で測定される入力交流電圧Ｖ１の波形、電流検出器２３で測定されるインダクタ電流ＩＬの波形、電圧検出器２２で測定される出力直流電圧Ｖ２の波形が示されている。図１１に示す実験例では、連続モードを用いてＰＦＣ制御が実行されている。
【0069】
図１１に示すように、スイッチングモードの切り替え時である交流電圧＝０の付近において、途切れなく滑らかに電圧および電流の制御できていることがわかる。
【0070】
［実施の形態１の効果］
以上のとおり、実施の形態１では、図１、図４、図６に示す３つの回路方式の電力変換装置３Ａ～３Ｃの構成を示した。電力変換装置３Ａ～３Ｃは、全波整流回路を必要としないブリッジレスで構成されており、片極が接地されている単相交流電圧と直流電圧とを双方向に変換できる。また、ＰＦＣ制御および高調波除去用のローパスフィルタ（平滑用コンデンサなど）と組み合わせることにより、原理的には、力率＝０．９９９およびＴＨＤ＝２～３％が実現可能である。
以上のとおり、実施の形態１では、図１、図４、図６に示す３つの回路方式の電力変換装置３Ａ～３Ｃの構成を示した。電力変換装置３Ａ～３Ｃは、全波整流回路を必要としないブリッジレスで構成されており、片極が接地されている単相交流電圧と直流電圧とを双方向に変換できる。また、ＰＦＣ制御および高調波除去用のローパスフィルタ（平滑用コンデンサなど）と組み合わせることにより、原理的には、力率＝０．９９９およびＴＨＤ＝２～３％が実現可能である。
【0071】
また、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、直流電圧と直流電圧との双方向の変換も可能である。具体的に、第１ノード１１において入出力される第１の直流電圧と、第２ノード１３において入出力される第２の直流電圧とが同符号の場合には、前述の第１のスイッチングモード（すなわち、非反転昇降圧コンバータとして動作）によって直流－直流変換が可能である。一方、第１の直流電圧と第２の直流電圧とが異符号の場合には、前述の第２のスイッチングモード（すなわち、昇降圧コンバータとして動作）によって直流－直流変換が可能である。
【0072】
＜実施の形態２＞
実施の形態１で説明した電力変換装置３Ａ～３Ｃを用いて交流－交流変換を行う場合について説明する。たとえば、交流－交流変換は簡易な周波数変換装置として利用できる。
実施の形態１で説明した電力変換装置３Ａ～３Ｃを用いて交流－交流変換を行う場合について説明する。たとえば、交流－交流変換は簡易な周波数変換装置として利用できる。
【0073】
図１２は、電力変換装置の交流－交流変換動作を説明するための図である。図１２では、入力交流電圧を２倍の周波数の交流電圧に周波数変換して出力する例が示されている。入力交流電圧波形が実線で示され、出力交流電圧波形が破線で示されている。また、第２のスイッチングモードで入力交流電圧を変換する期間において、入力交流電圧を反転させた波形が一点鎖線で示されている。
【0074】
図１２の区間Ｓ１では、入力電圧および出力電圧は共に正電圧である。この場合、制御部２０は、実施の形態１で説明した第１のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御することにより、入力交流電圧を出力交流電圧に変換する。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、非反転昇降圧コンバータとして動作する。
【0075】
図１２の区間Ｓ２では、入力電圧は正電圧であるのに対し、出力電圧は負電圧である。この場合、制御部２０は、実施の形態１で説明した第２のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御することにより、入力交流電圧を出力交流電圧に変換する。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、（反転）昇降圧コンバータとして動作する。
【0076】
図１２の区間Ｓ３では、入力電圧は負電圧であるのに対し、出力電圧は正電圧である。この場合、制御部２０は、第２のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御することにより、入力交流電圧を出力交流電圧に変換する。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、（反転）昇降圧コンバータとして動作する。
【0077】
図１２の区間Ｓ４では、入力電圧および出力電圧は共に負電圧である。この場合、制御部２０は、第１のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御することにより、入力交流電圧を出力交流電圧に変換する。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、非反転昇降圧コンバータとして動作する。
【0078】
図１３は、電力変換装置の交流－交流変換動作における制御方法を示すフローチャートである。以下、図１、図４および図６に示す電力変換装置３Ａ～３Ｃにおいて、第１ノード対１１，１２に交流電圧が入力され、第２ノード対１３，１４から周波数の異なる交流電圧を出力する場合について説明する。第１ノード対１１，１２に入力される交流電圧は、電圧検出器２１によって検出される。
【0079】
図１３を参照して、制御部２０は、入力交流電圧の符号と出力交流電圧の符号とに基づいて、４つの動作モードのうちいずれに該当するかを判定する。すなわち、制御部２０は、入力電圧および出力電圧がともに正の場合（ステップＳ１００でＹＥＳ）、入力電圧が正で出力電圧が負の場合（ステップＳ１２０でＹＥＳ）、入力電圧および出力電圧がともに負の場合（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、入力電圧が負で出力電圧が正の場合（ステップＳ１６０でＹＥＳ）のうちのどれに該当するかを判定する。
【0080】
入力電圧および出力電圧がともに正の場合（ステップＳ１００でＹＥＳ）、制御部２０は、実施の形態１で説明した第１のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御する（ステップＳ１１０）。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、非反転昇降圧コンバータとして動作する。
【0081】
入力電圧が正で出力電圧が負の場合（ステップＳ１２０でＹＥＳ）、制御部２０は、実施の形態１で説明した第２のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御する。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、（反転）昇降圧コンバータとして動作する。
【0082】
入力電圧および出力電圧がともに負の場合（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、制御部２０は、制御部２０は、実施の形態１で説明した第１のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御する（ステップＳ１１０）。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、非反転昇降圧コンバータとして動作する。
【0083】
入力電圧が負で出力電圧が正の場合（ステップＳ１６０でＹＥＳ）、制御部２０は、実施の形態１で説明した第２のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御する。すなわち、電力変換装置３Ａ～３Ｃは、（反転）昇降圧コンバータとして動作する。なお、入力電圧が０または出力電圧が０の場合は、スイッチングモードの切り替えが行われる（ステップＳ１８０）。
【0084】
以上をまとめると、第１ノード１１において基準電位に対して正および負に変化する第１の交流電圧が入出力され、第２ノード１３において基準電位に対して正および負に変化する第２の交流電圧が入出力されることにより、第１の交流電圧と第２の交流電圧との間で双方向の変換を行う交流－交流変換動作が行われる。この場合、制御部２０は、第１の交流電圧と第２の交流電圧とが同符号になる期間において、前述の第１のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御することにより、電力変換装置３Ａ～３Ｃを非反転昇降圧コンバータとして動作させる。制御部２０は、第１の交流電圧と第２の交流電圧とが異符号になる期間において、前述の第２のスイッチングモードでスイッチＳａ～Ｓｅ（Ｓｆ）を制御することにより、電力変換装置３Ａ～３Ｃを（反転）昇降圧コンバータとして動作させる。
【0085】
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、実施の形態１で説明した電力変換装置３Ａ～３Ｃを交流電車用電源回路４０に適用した例について説明する。以下の説明では、電力変換装置３Ａ～３Ｃを総称して、電力変換装置３と記載する。
実施の形態３では、実施の形態１で説明した電力変換装置３Ａ～３Ｃを交流電車用電源回路４０に適用した例について説明する。以下の説明では、電力変換装置３Ａ～３Ｃを総称して、電力変換装置３と記載する。
【0086】
【0087】
電力変換装置３の第１ノード１１は架線５１に接続され、電力変換装置３の第１ノード１２（すなわち、基準ノード１５）はレール５２に接続される。架線５１とレール５２との間に単相交流電源１または直流電源１Ａが接続される。これにより、架線５１から交流電圧または直流電圧が供給される。電力変換装置３は、架線５１から交流電圧が供給されている場合に交流－直流変換動作を行い、架線５１から直流電圧が供給されている場合に直流－直流変換動作を行う。
【0088】
電力変換装置３の第２ノード１３は、インバータ４１の高電位側配線４２Ｐに接続され、電力変換装置３の第２ノード１４（すなわち、基準ノード１５）は、インバータ４１の低電位側配線４２Ｎに接続される。
【0089】
インバータ４１は、Ｕ相スイッチング素子４３Ｐ，４３Ｎと、Ｖ相スイッチング素子４４Ｐ，４４Ｎと、Ｗ相スイッチング素子４５Ｐ，４５Ｎと、各スイッチング素子に逆並列に接続されたフリーホイールダイオード４７とを含む。Ｕ相スイッチング素子４３Ｐ，４３Ｎは、高電位側配線４２Ｐと低電位側配線４２Ｎとの間に互いに直列に接続される。同様に、Ｖ相スイッチング素子４４Ｐ，４４Ｎは、高電位側配線４２Ｐと低電位側配線４２Ｎとの間に互いに直列かつＵ相スイッチング素子４３Ｐ，４３Ｎの直列接続体と並列に接続される。同様に、Ｗ相スイッチング素子４５Ｐ，４５Ｎは、高電位側配線４２Ｐと低電位側配線４２Ｎとの間に互いに直列かつＵ相スイッチング素子４３Ｐ，４３Ｎの直列接続体と並列に接続される。Ｕ相スイッチング素子４３Ｐ，４３Ｎの中点４６Ｕ、Ｖ相スイッチング素子４４Ｐ，４４Ｎの中点４６Ｖ、およびＷ相スイッチング素子４５Ｐ，４５Ｎの中点４６Ｗからモータ５０に３相交流電力が供給される。
【0090】
上記の構成によれば、実施の形態１で説明した電力変換装置３によって架線５１の電圧を降圧できるので、交流電車用電源回路４０にトランスを設ける必要がなく、交流電車用電源回路４０を軽量化できる。この点で本実施形態の交流電車用電源回路４０は、降圧用の絶縁トランスが必要な既存のブリッジ付きＰＦＣ回路またはブリッジレスＰＦＣ回路を利用する場合よりも有利である。電力変換装置３においてＰＦＣ制御を行うことにより、饋電回路の力率を改善できる。電力変換装置３は、ブリッジレスで構成されているので、力行および回生の双方向電力潮流制御が可能である。電力変換装置３の第１ノード対１１，１２は片極が接地されているので、交流電気鉄道のレール５２が接地されているという特徴をうまく利用できる。また、架線５１に直流電圧が供給されている場合も交流電車用電源回路４０をそのまま利用できる。なお、実施の形態１の電力変換装置３は、交流電車の電気回路方式に限らず、片極が接地された交流回路と直流回路との双方向電力変換に利用できる。
【0091】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この出願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】
【0092】
１ 単相交流電源、１Ａ，２ 直流電源、３，３Ａ～３Ｃ 電力変換装置、１０Ａ～１０Ｃ 切替回路、１１，１２ 第１ノード、１３，１４ 第２ノード、１５ 基準ノード、１６ インダクタ、１７ 第１端、１８ 第２端、２０ 制御部、２１，２２ 電圧検出器、２３，２４，２５ 電流検出器、３１，３２ 平滑用コンデンサ、 ４０ 交流電車用電源回路、４１ インバータ、４２Ｎ 低電位側配線、４２Ｐ 高電位側配線、４３Ｎ，４３Ｐ，４４Ｎ，４４Ｐ，４５Ｎ，４５Ｐ スイッチング素子、４６Ｕ，４６Ｖ，４６Ｗ 中点、４７ フリーホイールダイオード、５０ モータ、５１ 架線、５２ レール、ＮＭａ１，ＮＭａ２～ＮＭｅ１，ＮＭｅ２ ＮＭＯＳＦＥＴ、Ｄ ドレイン、Ｓ ソース、ＰＤ 寄生ダイオード、Ｉ１ 交流電流、Ｉ２ 直流電流、ＩＬ インダクタ電流、Ｓａ～Ｓｆ スイッチ、Ｖ１ 交流電圧、Ｖ２ 直流電圧。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】