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公開番号2024087298
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-01
出願番号2022202050
出願日2022-12-19
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
出願人国立大学法人京都大学,公益財団法人鉄道総合技術研究所,ネクスファイ・テクノロジー株式会社
代理人弁理士法人深見特許事務所
主分類H02M 7/12 20060101AFI20240624BHJP(電力の発電,変換,配電)
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
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。
続きを表示（約 3,000 文字）【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。
【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。
【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。
【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。

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。
続きを表示（約 2,500 文字）【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】
回路方式１を有する電力変換装置の構成図である。
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。
回路方式２を有する電力変換装置の構成図である。
図４の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。
回路方式３を有する電力変換装置の構成図である。
図６の電力変換装置の交流－直流変換動作を説明するための図である。
図１、図４、および図６に示す電力変換装置の交流－直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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【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。
（【００１１】以降は省略されています）

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