再表 2013-168257 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

【公報種別】再公表特許(A1)

(11)【国際公開番号】WO/0

(43)【国際公開日】2013年11月14日

【発行日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20151201BHJP

   H02M 7/487 20070101ALI20151201BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 M

   H02M7/487

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】15

【出願番号】特願2014-514304(P2014-514304)

(21)【国際出願番号】PCT/0/0

(22)【国際出願日】2012年5月10日

(11)【特許番号】特許第5823609号(P5823609)

(45)【特許公報発行日】2015年11月25日

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KM,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VC,VN,ZA

(71)【出願人】

【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

(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】東 耕太郎

【テーマコード（参考）】

5H007

【Ｆターム（参考）】

5H007AA17

5H007BB06

5H007CA01

5H007CA02

5H007CA03

5H007CB02

5H007CB04

5H007CB05

5H007CC06

5H007DB01

5H007FA13

(57)【要約】

自励半導体素子（Ｇ１，Ｇ２）の制御信号をオフ制御からオン制御に切替えるときには、制御回路が自励半導体素子（Ｇ２）に制御電圧を印加してからターンオン時間（２×Δｔ）後に、自励半導体素子（Ｇ１）をオン制御し、自励半導体素子（Ｇ１，Ｇ２）の制御信号をオン制御からオフ制御に切替えるときには、制御回路は、自励半導体素子（Ｇ１）に制御電圧を印加してからターンオフ時間（２×Δｔ）後に、自励半導体素子（Ｇ２）の制御信号をオフ制御する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源の交流電圧を、第１〜第３の電位の３レベルを有する直流電圧に変換する３レベル変換器を備え、
前記３レベル変換器は、
第１〜第３の入力端（Ｐ，Ｃ，Ｎ）と、
前記直流電圧を出力する出力端（Ｘ）とを含み、
前記第２の入力端（Ｃ）は、前記第１〜第３の電位のうち中間電位が与えられ、
前記第１の入力端（Ｐ）と前記出力端（Ｘ）との間に順に直列接続された第１および第２のスイッチング半導体素子（Ｇ１，Ｇ２）と、
前記第１の入力端（Ｐ）と前記出力端（Ｘ）との間に、前記第１および第２のスイッチング半導体素子（Ｇ１，Ｇ２）の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された第１および第２の還流ダイオード（ＤＦ１，ＤＦ２）と、
アノードが前記第２の入力端（Ｃ）に接続され、カソードが前記第１のスイッチング半導体素子（Ｇ１）と前記第２のスイッチング半導体素子（Ｇ２）との接続ノードおよび前記第１の還流ダイオード（ＤＦ１）と前記第２の還流ダイオード（ＤＦ２）との接続ノードに接続される第１の結合ダイオード（ＤＣ１）と、
前記出力端（Ｘ）と前記第３の入力端（Ｎ）との間に順に直列接続された第３および第４のスイッチング半導体素子（Ｇ３，Ｇ４）と、
前記出力端（Ｘ）と前記第３の入力端（Ｎ）との間に、前記第３および第４のスイッチング半導体素子（Ｇ３，Ｇ４）の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された第３および第４の還流ダイオード（ＤＦ３、ＤＦ４）と、
カソードが前記第２の入力端（Ｃ）に接続され、アノードが前記第３のスイッチング半導体素子（Ｇ３）と前記第４のスイッチング半導体素子（Ｇ４）との接続ノードおよび前記第３の還流ダイオード（ＤＦ３）と前記第４の還流ダイオード（ＤＦ３）との接続ノードに接続される第２の結合ダイオード（ＤＣ２）とを含み、
前記第１〜第４のスイッチング半導体素子（Ｇ１〜Ｇ４）のオン／オフのスイッチングを制御する制御回路（１００）とをさらに備え、
前記第１および第２のスイッチング半導体素子（Ｇ１，Ｇ２）の制御信号をオフ制御からオン制御に切替えるときには、前記制御回路（１００）は前記第２のスイッチング半導体素子（Ｇ２）に制御電圧を印加してからターンオン時間後に、前記第１のスイッチング半導体素子（Ｇ１）をオン制御し、
前記第１および第２のスイッチング半導体素子（Ｇ１，Ｇ２）の制御信号をオン制御からオフ制御に切替えるときには、前記制御回路（１００）は前記第１のスイッチング半導体素子（Ｇ１）に制御電圧を印加してからターンオフ時間後に、前記第２のスイッチング半導体素子（Ｇ２）の制御信号をオフ制御する、電力変換装置。

【請求項2】

前記第２の電位は、前記第１の電位より低く、前記第３の電位より高い前記中間電位であり、
前記第３および第４のスイッチング半導体素子（Ｇ３，Ｇ４）の制御信号をオフ制御からオン制御に切替えるときには、前記制御回路は前記第３のスイッチング半導体素子（Ｇ３）に制御電圧を印加してからターンオン時間後に、前記第４のスイッチング半導体素子（Ｇ４）をオン制御し、
前記第３および第４のスイッチング半導体素子（Ｇ３，Ｇ４）の制御信号がオン制御からオフ制御に切替えるときには、前記制御回路は前記第４のスイッチング半導体素子（Ｇ４）に制御電圧を印加してからターンオフ時間後に、前記第３のスイッチング半導体素子（Ｇ３）の制御信号をオフ制御する、請求の範囲第１項に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第３のスイッチング半導体素子（Ｇ３）の制御信号と前記第２のスイッチング半導体素子（Ｇ２）の制御信号との関係は排他的である、請求の範囲第２項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、低周波数・低電圧を出力する電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば、スイッチング半導体素子をオン／オフ制御することによって正弦波電流を供給し可変速揚水発電機等の負荷を可変速駆動する電力変換装置において、電力変換装置（たとえば、３レベル変換器）の出力周波数が低周波になった場合、正弦波状の電流が正または負に導通する時間が長くなる。これにより、スイッチング半導体素子の導通時間が長くなり、スイッチング半導体素子のジャンクション温度はこの間上昇し続け最後には過熱で破損するおそれがある。

【0003】

上記のようなスイッチング半導体素子を過熱による保護する技術として、下記のものがある。

【0004】

特開２００８−１７８１８８号公報（特許文献１）は、出力周波数が低周波になったとき、システムから要求される一定負荷条件での運転継続時間を長くすると共に、システムから要求される負荷条件と相違があっても運転継続可能な電力変換装置を提供することを目的としている。特開２００８−１７８１８８号公報（特許文献１）に開示された発明は、複数個のスイッチング半導体素子を有し、これらのスイッチング半導体素子をオンオフ制御することにより交流電動機に正弦波電流を供給する電力変換器を備えた電力変換装置において、電力変換器の出力周波数が所定値以下の低周波になったとき、演算で求めたスイッチング素子の熱負荷相当に比例して出力周波数を増加させる周波数補正手段を備えるように構成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−１７８１８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特開２００８−１７８１８８号公報（特許文献１）に開示された発明では、周波数補正手段をさらに設けるため、電力変換装置の面積の増大およびコスト増に繋がる問題があった。

【0007】

また、上述したように、３レベル変換器は、２つの半導体素子が直列に接続される２レベル変換器に比較して、低周波数・低変調率で運転すると、一部の半導体素子温度が高くなるおそれがある。一方、従来の２レベル変換器を使用した場合には、２つの半導体素子間の電圧範囲の調整が難しいという問題があった。

【0008】

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来の周波数補正手段を設けることなく、周波数・低電圧を出力する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】

【0009】

交流電源の交流電圧を、第１〜第３の電位の３レベルを有する直流電圧に変換する３レベル変換器を備え、３レベル変換器は、第１〜第３の入力端と、直流電圧を出力する出力端とを含み、第２の入力端は、第１〜第３の電位のうち中間電位が与えられ、第１の入力端と出力端との間に順に直列接続された第１および第２のスイッチング半導体素子と、第１の入力端と出力端との間に、第１および第２のスイッチング半導体素子の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された第１および第２の還流ダイオードと、アノードが第２の入力端に接続され、カソードが第１のスイッチング半導体素子と第２のスイッチング半導体素子との接続ノードおよび第１の還流ダイオードと第２の還流ダイオードとの接続ノードに接続される第１の結合ダイオードと、出力端と第３の入力端との間に順に直列接続された第３および第４のスイッチング半導体素子と、出力端と第３の入力端との間に、第３および第４のスイッチング半導体素子の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された第３および第４の還流ダイオードと、カソードが第２の入力端に接続され、アノードが第３のスイッチング半導体素子と第４のスイッチング半導体素子との接続ノードおよび第３の還流ダイオードと第４の還流ダイオードとの接続ノードに接続される第２の結合ダイオードとを含み、第１〜第４のスイッチング半導体素子のオン／オフのスイッチングを制御する制御回路をさらに備え、第１および第２のスイッチング半導体素子の制御信号をオフ制御からオン制御に切替えるときには、制御回路は第２のスイッチング半導体素子に制御電圧を印加してからターンオン時間後に、第１のスイッチング半導体素子をオン制御し、第１および第２のスイッチング半導体素子の制御信号をオン制御からオフ制御に切替えるときには、制御回路は第１のスイッチング半導体素子に制御電圧を印加してからターンオフ時間後に、第２のスイッチング半導体素子の制御信号をオフ制御する。

【発明の効果】

【0010】

この発明によれば、電力変換装置（３レベル変換器）の１アームを構成する２つの半導体素子をほぼ同時に点弧・消弧することにより、３レベル変換器と同じ出力電圧が可能で、かつ、他の半導体素子と比較して極端に発熱が大きい半導体素子を減少させ、出力電流を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態にかかる電力変換装置の構成および動作を説明するための図である。

【図2】実施の形態にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。

【図3】実施の形態にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。

【図4】直流電圧０Ｖを出力する場合の自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の点弧パターンを示す図である。

【図5】図４に示される点弧パターン時における各素子に流れる電流を説明するための図である。

【図6】直流電圧０Ｖを出力する場合の自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の参考例の点弧パターンを示す図である。

【図7】図６に示される点弧パターン時における各素子に流れる電流を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

【0013】

［実施の形態］
（電力変換装置の構成）
図１は、実施の形態にかかる電力変換装置の構成および動作を説明するための図である。図１を参照して、この電力変換装置は、いわゆる３レベル変換器とも呼ばれている。電力変換装置は、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４と、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４に逆並列接続される還流ダイオードＤＦ１〜ＤＦ４と、結合ダイオードＤＣ１，ＤＣ２と、直流電圧回路である平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。なお、自励半導体素子としてＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ），ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などゲート信号によってＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる素子であればよい。

【0014】

具体的には、電力変換装置は、端子Ｐと端子Ｘとの間に順に直列接続された自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２と、端子Ｐと端子Ｘとの間に、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された還流ダイオードＤＦ１，ＤＦ２と、アノードが端子Ｃに接続され、カソードが自励半導体素子Ｇ１と自励半導体素子Ｇ２との接続ノードおよび還流ダイオードＤＦ１と還流ダイオードＤＦ２との接続ノードに接続される結合ダイオードＤＣ１と、端子Ｘと端子Ｎとの間に順に直列接続された自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４と、端子Ｘと端子Ｎとの間に、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された還流ダイオードＤＦ３，ＤＦ４と、カソードが端子Ｃに接続され、アノードが自励半導体素子Ｇ３と自励半導体素子Ｇ４との接続ノードおよび還流ダイオードＤＦ３と還流ダイオードＤＦ４との接続ノードに接続される結合ダイオードＤＣ２とを含む。

【0015】

（電力変換装置の動作）
端子Ｐ，Ｃ，Ｎは様々な電位を取ることができるが、理解を容易にするために、下記の説明では、端子Ｃには、中間電位を与えることにする。すなわち、端子Ｃに与えられる電位は、最も高い電位より低く、最も低い電位より高い中間電位が与えられる。

【0016】

再び図１を参照して、電力変換装置において、（１）端子Ｐの電圧を端子Ｘに与える場合の制御および（２）端子Ｘの電圧を端子Ｐに与える場合の制御について説明する。

【0017】

まず、（１）の場合には、破線の経路ＰＡＴＨ１上に設けられている素子をオン制御し、それ以外はオフ制御にすることにより、端子Ｘに端子Ｐの電圧を与えることができる。具体的には、経路ＰＡＴＨ１上に自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２をオン制御し、それ以外の素子をオフ制御することにより、端子Ｘは端子Ｐの電圧を受けることができる。

【0018】

次に、（２）の場合には、破線の経路ＰＡＴＨ２上に設けられている素子をオン制御し、それ以外はオフ制御にすることにより、端子Ｐに端子Ｘの電圧を与えることができる。具体的には、経路ＰＡＴＨ２上に還流ダイオードＤＦ１，ＤＦ２をオン制御し、それ以外の素子をオフ制御することにより、端子Ｐは端子Ｘの電圧を受けることができる。

【0019】

図２は、実施の形態にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。図２を参照して、電力変換装置において、（３）端子Ｃの電圧を端子Ｘに与える場合の制御および（４）端子Ｘの電圧を端子Ｃに与える場合の制御について説明する。

【0020】

（３）の場合には、破線の経路ＰＡＴＨ３上に設けられている素子をオン制御し、それ以外はオフ制御にすることにより、端子Ｘに端子Ｃの電圧を与えることができる。具体的には、経路ＰＡＴＨ３上に自励半導体素子Ｇ２および結合ダイオードＤＣ１をオン制御し、それ以外の素子をオフ制御することにより、端子Ｘは端子Ｃの電圧を受けることができる。

【0021】

（４）の場合には、破線の経路ＰＡＴＨ４上に設けられている素子をオン制御し、それ以外はオフ制御にすることにより、端子Ｃに端子Ｘの電圧を与えることができる。具体的には、経路ＰＡＴＨ４上に自励半導体素子Ｇ３および結合ダイオードＤＣ２をオン制御し、それ以外の素子をオフ制御することにより、端子Ｃは端子Ｘの電圧を受けることができる。

【0022】

図３は、実施の形態にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。図３を参照して、電力変換装置において、（５）端子Ｎの電圧を端子Ｘに与える場合の制御および（６）端子Ｘの電圧を端子Ｎに与える場合の制御について説明する。

【0023】

（５）の場合には、破線の経路ＰＡＴＨ５上に設けられている素子をオン制御し、それ以外はオフ制御にすることにより、端子Ｘに端子Ｎの電圧を与えることができる。具体的には、経路ＰＡＴＨ５上に還流ダイオードＤＦ３，ＤＦ４をオン制御し、それ以外の素子をオフ制御することにより、端子Ｘは端子Ｎの電圧を受けることができる。

【0024】

（６）の場合には、破線の経路ＰＡＴＨ６上に設けられている素子をオン制御し、それ以外はオフ制御にすることにより、端子Ｎに端子Ｘの電圧を与えることができる。具体的には、経路ＰＡＴＨ６上に自励半導体素子Ｇ３、Ｇ４をオン制御し、それ以外の素子をオフ制御することにより、端子Ｎは端子Ｘの電圧を受けることができる。

【0025】

（制御信号）
ここで、本実施の形態の電力変換装置を構成する自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の具体的な制御信号について検討する。

【0026】

図４は、直流電圧０Ｖを出力する場合の自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の点弧パターンを示す図である。図４を参照して、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の制御信号と合成出力波形が示されている。

【0027】

ここで、時刻ｔ１に、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２はほぼ同時にオン制御されるが、自励半導体素子Ｇ２をオンしてから自励半導体素子Ｇ１がオンされることが好ましい。すなわち、自励半導体素子Ｇ２の物理特性で定まる立ち上り時間（ターンオン時間）後に自励半導体素子Ｇ１をオンされるように制御する。

【0028】

そして、時刻ｔ１〜時刻ｔ２間に、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２はオン制御され、一方、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４はオフ制御される。このとき、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２のオン制御期間はほぼ等しい。したがってこの時刻ｔ１〜時刻ｔ２間に、経路ＰＡＴＨ１，ＰＡＴＨ２を通して、端子Ｐの電圧が端子Ｘに供給される。

【0029】

そして、時刻ｔ２に、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２はほぼ同時にオフ制御されるが、自励半導体素子Ｇ１をオフしてから自励半導体素子Ｇ２がオフされることが好ましい。すなわち、自励半導体素子Ｇ１の物理特性で定まる立ち下がり時間（ターンオフ時間）後に自励半導体素子Ｇ２をオフされるように制御する。

【0030】

次に、時刻ｔ２に、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４はほぼ同時にオン制御されるが、自励半導体素子Ｇ３をオンしてから自励半導体素子Ｇ４がオンされることが好ましい。すなわち、自励半導体素子Ｇ３の物理特性で定まる立ち上り時間（ターンオン時間）後に自励半導体素子Ｇ４をオンされるように制御する。

【0031】

時刻ｔ２〜時刻ｔ３間に、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４はオン制御され、一方、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２はオフ制御される。このとき、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４のオン制御期間はほぼ等しい。したがってこの時刻ｔ２〜時刻ｔ３間に、経路ＰＡＴＨ５，ＰＡＴＨ６を通して、端子Ｘの電圧が端子Ｎに供給される。

【0032】

そして、時刻ｔ３に、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４はほぼ同時にオフ制御されるが、自励半導体素子Ｇ４をオフしてから自励半導体素子Ｇ３がオフされることが好ましい。すなわち、自励半導体素子Ｇ４の物理特性で定まる立ち下がり時間（ターンオフ時間）後に自励半導体素子Ｇ３をオフされるように制御する。

【0033】

以上のように、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の各オン制御期間はほぼ等しく、かつ、周期Ｔ（時刻ｔ１〜時刻ｔ３の間）を有する。また、自励半導体素子Ｇ３の制御信号と自励半導体素子Ｇ２の制御信号との関係は排他的である。

【0034】

上述した自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４を制御することにより、周期Ｔの合成出力波形を取得することができる。この合成出力波形は、端子Ｐ，Ｎの電圧しか出力されていない。言い換えると、本実施の形態の電力変換装置は、端子Ｃの電圧は出力されず、いわゆる２レベル変換器とほぼ同じ動作を行なう。しかしながら、従来の２レベル変換器と比較して、出力電圧の高調波成分が増加するものの、電圧の分担の問題は解消される。

【0035】

次に、図４で説明した点弧パターンでの電力変換装置の各素子の通流状態について検討する。

【0036】

図５は、図４に示される点弧パターン時における各素子に流れる電流を説明するための図である。図５を参照して、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の制御信号と、還流ダイオードＤＦ１〜ＤＦ４に流れる電流と、結合ダイオードＤＣ１，ＤＣ２に流れる電流と、端子Ｘでの出力電流とが上から順に示される。ここで、図５には、端子Ｐ，Ｃ，Ｎから端子Ｘに電流が流れる方向をプラスとして、各電流値が示される。

【0037】

図４、図５を参照して、時刻ｔ１〜時刻ｔ２間において、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２がオンし、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４がオフしているため、経路ＰＡＴＨ１およびＰＡＴＨ２上に電流が流れる。従って、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２には、経路ＰＡＴＨ１を通して、端子Ｘに電流が流れる。

【0038】

一方、時刻ｔ２〜ｔ３間において、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２がオフし、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４がオンしているため、経路ＰＡＨＴ５およびＰＡＴＨ６上に電流が流れる。従って、還流ダイオードＤＦ３，ＤＦ４には、経路ＰＡＴＨ５を通して、端子Ｘに電流が流れる。

【0039】

ここで、時刻ｔ２および時刻ｔ３において、瞬間的に自励半導体素子Ｇ２，Ｇ３がオンし、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ４がオフするため、経路ＰＡＴＨ３およびＰＡＴＨ４上に電流が流れる。従って、結合ダイオードＤＣ１に瞬間的な電流が流れる。以上説明したような動作が周期Ｔ（時刻ｔ１〜時刻ｔ３の間）で繰り返し行なわれる。

【0040】

ここで、本実施の形態の電力変換装置の理解を深めるために、参考例と比較して説明する。なお、参考例の構成は、本願の実施の形態の構成と同じであるが、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４への入力波形の与え方が異なる。

【0041】

（参考例）
図６は、直流電圧０Ｖを出力する場合の自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４の参考例の点弧パターンを示す図である。これは、従来の３レベル変換器で用いられる点弧パターンである。図４の制御信号と比較して、図６の制御信号について説明する。なおこの制御信号が入力される電力変換装置の構成は、図１に示される実施の形態の電力変換装置と同じ構成である。

【0042】

図６を参照して、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ３のオン／オフ制御信号への印加電圧については排他的に用いられ、また、自励半導体素子Ｇ２，Ｇ４のオン／オフ制御信号への印加電圧についても排他的に用いられる。

【0043】

さらに、自励半導体素子Ｇ１のオン制御される時間は自励半導体素子Ｇ２のオン制御される時間に包含され、また、自励半導体素子Ｇ４のオン制御される時間は自励半導体素子Ｇ３のオン制御される時間に包含される。たとえば、（１）自励半導体素子Ｇ２の立ち上がり時刻ｔ０２から自励半導体素子Ｇ１の立ち上がり時刻ｔ１１までの時間、（２）自励半導体素子Ｇ１の立ち下がり時刻ｔ１２から自励半導体素子Ｇ２の立ち下がり時刻ｔ２１までの時間、（３）自励半導体素子Ｇ３の立ち上がり時刻ｔ１２から自励半導体素子Ｇ４の立ち上がり時刻ｔ２１までの時間、および（４）自励半導体素子Ｇ４の立ち下がり時刻ｔ２２から自励半導体素子Ｇ２の立ち下がり時刻ｔ３１までの時間は、合成出力波形の高調波成分を最小にするように設定される。

【0044】

具体的には、時刻ｔ０２に自励半導体素子Ｇ２がオン制御される。さらに、時間２×Δｔ遅れた時刻ｔ１１に自励半導体素子Ｇ１がオン制御される。

【0045】

そして、その後自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２は時刻ｔ１２までともにオン制御される。時刻ｔ１２になると自励半導体素子Ｇ１がオフ制御される。同時に自励半導体素子Ｇ３がオン制御される。

【0046】

従って、時刻ｔ１２〜時刻ｔ２１までの間は、自励半導体素子Ｇ２，Ｇ３はオン制御される。時刻ｔ２１に、自励半導体素子Ｇ２がオフ制御されると同時に自励半導体素子Ｇ４がオン制御される。

【0047】

次に、時刻ｔ１２に、自励半導体素子Ｇ３がオン制御され、その後時刻ｔ２１に自励半導体素子Ｇ４がオン制御される。時刻ｔ２１〜時刻ｔ２２までの間は、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４がともにオン制御される。

【0048】

また、時刻ｔ２２になると、自励半導体素子Ｇ４がオフ制御されると同時に自励半導体素子Ｇ２がオン制御される。

【0049】

以上時刻ｔ０２から時刻ｔ２２までの時間を１周期Ｔとすると、この周期Ｔごとに上記のような点弧パターンを制御回路１００が自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４に与える。

【0050】

このような制御信号を入力することにより、図６に示すような合成出力波形が得られる。なお、この合成出力波形の高調波成分は最小となっている。

【0051】

具体的には、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２までは、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２がオン制御のため、経路ＰＡＴＨ１、ＰＡＴＨ２を用いて、端子Ｘは端子Ｐの電圧を受ける。

【0052】

次に、時刻ｔ１２〜ｔ２１までは、自励半導体素子Ｇ２、Ｇ３がオン制御のため、経路ＰＡＴＨ３，ＰＡＴＨ４を用いて、端子Ｘは端子Ｃの電圧を受ける。

【0053】

さらに、時刻ｔ２１〜時刻ｔ２２までは、自励半導体素子Ｇ３、Ｇ４がオン制御のため、経路ＰＡＴＨ５，ＰＡＴＨ６を用いて、端子Ｘは端子Ｃの電圧を受ける。

【0054】

時刻ｔ２２〜時刻ｔ３１までは、時刻ｔ１２〜時刻ｔ２１と同様な状態であるため、端子Ｘは端子Ｃの電圧を受ける。

【0055】

次に、図６で説明した点弧パターンでの電力変換装置の各素子の通流状態について検討する。

【0056】

図７は、図６に示される点弧パターン時における各素子に流れる電流を説明するための図である。図５と比較して、図７を説明する。図６、図７を参照して、時刻ｔ０２〜時刻ｔ１１間において、自励半導体素子Ｇ２，Ｇ３がオンし、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ４がオフしているため、経路ＰＡＴＨ３上に電流が流れる。従って、自励半導体素子Ｇ２には、経路ＰＡＴＨ３を通して、端子Ｘに電流が流れる。このとき、経路ＰＡＨＴ３上の結合ダイオードＤＣ１にも通流する。

【0057】

一方、時刻ｔ１１〜ｔ１２間において、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２がオンし、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４がオフしているため、経路ＰＡＨＴ１上に電流が流れる。従って、自励半導体素子Ｇ１、Ｇ２には、経路ＰＡＴＨ１を通して、端子Ｘに電流が流れる。

【0058】

次に、時刻ｔ１２〜時刻ｔ２１において、再び自励半導体素子Ｇ２，Ｇ３がオンし、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ４がオフするため、経路ＰＡＴＨ３上に電流が流れる。従って、結合ダイオードＤＣ１に再度電流が流れる。

【0059】

そして、時刻ｔ２１〜時刻ｔ２２間において、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４がオンし、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２がオフするため、経路ＰＡＴＨ５上に電流が流れる。

【0060】

以上説明したような動作が周期Ｔ（時刻ｔ０２〜時刻ｔ２２の間）で繰り返し行なわれる。

【0061】

ここで、図５、図７を参照して、図７に示すように自励半導体素子Ｇ２および結合ダイオードＤＣ１は、他の素子である自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４、結合ダイオードＤＣ２などと比較して、電流が印加される時間が長く、その印加される回数も多い。このため、自励半導体素子Ｇ２あるいは結合ダイオードＤＣ１の寿命は、他の素子よりも早くなるため、たとえば、従来の電力変換装置を搭載している可変速揚水発電機は、頻繁に修理・交換を行なうことになり、効率が悪い。

【0062】

一方、本実施の形態の電力発電装置は、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２のオン／オフ制御をほぼ同時に行ない、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２のオン／オフ制御と排他的に自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４のオン／オフ制御をほぼ同時に行なうことにより、図５に示すように通流する素子（たとえば、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２および還流ダイオードＤＦ３、ＤＦ４）の負荷はほぼ同じとなる。さらに、消費電力の低減も図れる。

【0063】

従って、従来の参考例と異なり、これらの素子の各々はほぼ同時期に寿命を迎える可能性が高く、本実施の形態の電力変換装置を搭載している可変速揚水発電機は、効率よく、修理・交換を行なえる。

【0064】

最後に図等を用いて実施の形態を総括する。
実施の形態は、図１〜図３に示すように、交流電源の交流電圧を、第１〜第３の電位の３レベルを有する直流電圧に変換する３レベル変換器を備え、３レベル変換器は、端子Ｐ，Ｃ，Ｎと、直流電圧を出力する端子Ｘとを含み、端子Ｃは、第１〜第３の電位のうち中間電位が与えられ、端子Ｐと端子Ｘとの間に順に直列接続された自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２と、端子Ｐと端子Ｘとの間に、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された還流ダイオードＤＦ１，ＤＦ２と、アノードが端子Ｃに接続され、カソードが自励半導体素子Ｇ１と自励半導体素子Ｇ２との接続ノードおよび還流ダイオードＤＦ１と還流ダイオードＤＦ２との接続ノードに接続される結合ダイオードＤＣ１と、端子Ｘと端子Ｎとの間に順に直列接続された自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４と、端子Ｘと端子Ｎとの間に、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４の導通する電流の向きと逆方向に順に直列接続された還流ダイオードＤＦ３，ＤＦ４と、カソードが端子Ｃに接続され、アノードが自励半導体素子Ｇ３と自励半導体素子Ｇ４との接続ノードおよび還流ダイオードＤＦ３と還流ダイオードＤＦ４との接続ノードに接続される結合ダイオードＤＣ２とを含み、自励半導体素子Ｇ１〜Ｇ４のオン／オフのスイッチングを制御する制御回路１００をさらに備え、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２の制御信号をオフ制御からオン制御に切替えるときには、制御回路１００が自励半導体素子Ｇ２に制御電圧を印加してからターンオン時間後に、自励半導体素子Ｇ１をオン制御し、自励半導体素子Ｇ１，Ｇ２の制御信号をオン制御からオフ制御に切替えるときには、制御回路１００は、自励半導体素子Ｇ１に制御電圧を印加してからターンオフ時間後に、自励半導体素子Ｇ２の制御信号をオフ制御する。

【0065】

好ましくは、第２の電位は、第１の電位より低く、第３の電位より高い中間電位であり、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４の制御信号をオフ制御からオン制御に切替えるときには、制御回路１００は、自励半導体素子Ｇ３に制御電圧を印加してからターンオン時間後に、自励半導体素子Ｇ４をオン制御し、自励半導体素子Ｇ３，Ｇ４の制御信号をオン制御からオフ制御に切替えるときには、制御回路１００が自励半導体素子Ｇ４に制御電圧を印加してからターンオフ時間後に、自励半導体素子Ｇ３の制御信号をオフ制御する。

【0066】

さらに好ましくは、自励半導体素子Ｇ３の制御信号と自励半導体素子Ｇ２の制御信号との関係は排他的である。

【0067】

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】

【0068】

１００ 制御回路、Ｃ，Ｎ，Ｐ，Ｘ 端子、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、ＤＣ１，ＤＣ２ 結合ダイオード、ＤＦ１〜ＤＦ４ 還流ダイオード、Ｇ１〜Ｇ４ 自励半導体素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】