電力變換裝置制造方法
電力變換裝置制造方法
【專利摘要】為了獲得即使以少的半導體開關數(shù)構(gòu)成也能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)控制和電容器的充放電控制的電力變換裝置，該電力變換裝置具備：半橋型的逆變器電路(400)，具有半導體開關(401a、402a)、以及直流電容器(403)，連接在交流電源(1)的正側(cè)母線；平滑電容器(7)；半導體開關(501a)，連接在半導體開關(401a)與平滑電容器(7)的正側(cè)之間；以及半導體開關(601a)，連接在半導體開關(402a)與平滑電容器(7)的負側(cè)之間，控制半導體開關(601a)的導通·關斷使得直流電容器(403)的直流電壓追蹤目標電壓，控制半導體開關(401a、402a)的導通·關斷使得平滑電容器(7)的直流電壓追蹤目標電壓、調(diào)整交流電源(1)的輸入功率因數(shù)。
【專利說明】電力變換裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種將單相逆變器的交流側(cè)的輸出重疊到電源輸出來獲得所期望的 直流電壓的電力變換裝置。
【背景技術】
[0002] W往的電力變換裝置具備交流電源、連接在交流電源的電抗器、橋式整流電路、平 滑電容器、連接在橋式整流電路的交流輸入端子間的雙向開關、串聯(lián)連接在直流輸出間的 第1?第4輔助開關W及電容器。并且，進行如下控制；在雙向開關導通之后、關斷為止的 期間使兩個輔助開關導通來對電容器進行充電。接著，進行如下控制；使該兩個輔助開關關 斷、雙向開關關斷著的期間使剩余的兩個輔助開關導通來使電容器進行放電。通過進行該 種控制，防止電抗器的電壓驟變來抑制噪音的產(chǎn)生、并且實現(xiàn)雙向開關的零電流開關、零電 壓開關，從而能夠?qū)崿F(xiàn)降低噪聲和損耗（例如參照專利文獻1)。
[0003] 專利文獻1 ;日本特開2008-141901號公報（第6-9頁、圖1-7)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 在W往的電力變換裝置中，希望滿足高功率因數(shù)控制、連接在輔助開關的電容器 的充放電控制W及向電抗器的電壓驟變的防止功能、且將電力變換裝置進一步小型化。然 而，在為了電力變換裝置的小型化而削減了半導體開關、二極管等半導體元件數(shù)的情況下， 例如削減雙向開關時不能滿足高功率因數(shù)控制。另外，當刪除輔助開關時不能滿足電容器 對電抗器的電壓驟變防止功能。因此，存在不能削減該W上的半導體元件該樣的問題點。
[0005] 本發(fā)明是為了解決如上所述的課題而作出的，W少的半導體開關數(shù)構(gòu)成電力變換 裝置、實現(xiàn)高功率因數(shù)控制、電容器的充放電控制W及向電抗器的電壓驟變防止功能。
[0006] 本發(fā)明的電力變換裝置具備：整流電路，對來自交流電源的輸入進行整流；半橋 型的逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關W及直流電容器，所述第1半導體 開關與所述第2半導體開關的連接點與所述交流電源的母線連接；平滑電容器，對輸出電 壓進行平滑；第3半導體開關，連接在所述逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與所述 平滑電容器的正側(cè)之間；第4半導體開關，連接在所述逆變器電路的負側(cè)的所述第2半導體 開關與所述平滑電容器的負側(cè)之間；W及控制電路，控制所述第1?第4半導體開關的導 通?關斷，其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關的導通?關斷，使得所述直流電容 器的直流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，并且控制所述第1半導體開關W及所述第 2半導體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標 電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
[0007] 本發(fā)明的電力變換裝置具備；具備；整流電路，對來自交流電源的輸入進行整流； 半橋型的逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關W及直流電容器，所述第1半 導體開關與所述第2半導體開關的連接點與所述交流電源的母線連接；平滑電容器，對輸 出電壓進行平滑；第3半導體開關，連接在所述逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與 所述平滑電容器的正側(cè)之間；第4半導體開關，連接在所述逆變器電路的負側(cè)的所述第2半 導體開關與所述平滑電容器的負側(cè)之間；W及控制電路，控制所述第1?第4半導體開關的 導通?關斷，其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關的導通?關斷，使得所述直流電 容器的直流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，并且控制所述第1半導體開關W及所述 第2半導體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目 標電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)，因此即使W少的半導體開關數(shù)構(gòu)成，也能 夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)控制、電容器的充放電控制和向電抗器的電壓驟變防止。因此，能夠?qū)崿F(xiàn) 電力變換裝置的小型化、輕量化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[000引圖1是本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0009] 圖2是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0010] 圖3是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0011] 圖4是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0012] 圖5是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0013] 圖6是表示說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的各部的波形和逆 變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0014] 圖7是本發(fā)明的實施方式1中的逆變器電路的輸出控制中的控制框圖。
[0015] 圖8是本發(fā)明的實施方式1中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0016] 圖9是本發(fā)明的實施方式2中的逆變器電路的輸出控制中的控制框圖。
[0017] 圖10是對本發(fā)明的實施方式2中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0018] 圖11是本發(fā)明的實施方式2中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0019] 圖12是對本發(fā)明的實施方式2中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0020] 圖13是對本發(fā)明的實施方式2中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0021] 圖14是本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖15是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0023] 圖16是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0024] 圖17是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0025] 圖18是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0026] 圖19是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0027] 圖20是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。 [002引圖21是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0029] 圖22是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0030] 圖23是表示說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0031] 圖24是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0032] 圖25是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0033] 圖26是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0034] 圖27是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0035] 圖28是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0036] 圖29是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0037] 圖30是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。 [003引圖31是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0039] 圖32是表示說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0040] 圖33是本發(fā)明的實施方式3中的逆變器電路的輸出控制中的控制框圖。
[0041] 圖34是對本發(fā)明的實施方式3中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0042] 圖35是本發(fā)明的實施方式3中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0043] 圖36是對本發(fā)明的實施方式3中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0044] 圖37是表示說明本發(fā)明的實施方式4中的電力變換裝置的動作的各部的波形和 逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0045] 圖38是本發(fā)明的實施方式4中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0046] 圖39是表示說明本發(fā)明的實施方式5中的電力變換裝置的動作的各部的波形和 逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0047] 圖40是本發(fā)明的實施方式5中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0048] 圖41是表示說明本發(fā)明的實施方式6中的電力變換裝置的供電動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0049] 圖42是表示說明本發(fā)明的實施方式6中的電力變換裝置的再生動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0化日]圖43是本發(fā)明的實施方式6中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0051] 圖44是對本發(fā)明的實施方式6中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0化2] 圖45是表示說明本發(fā)明的實施方式7中的電力變換裝置的供電動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0化3] 圖46是表示說明本發(fā)明的實施方式7中的電力變換裝置的再生動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0化4] 圖47是本發(fā)明的實施方式7中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0055] 圖48是對本發(fā)明的實施方式7中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0056] 附圖標記說明
[0057] 1 ;交流電源；2、3 ;主電路電抗器；7、10 ;平滑電容器；8、11 ;控制電路；101、102、 200 ;二極管整流電路；400、700 ;逆變器電路；401a、402a、501a、601a、701a、702a、801a、 901a ;半導體開關；40化、40化、50化、60化、70化、70化、80化、90化；二極管；403、703;直流 電容器。
【具體實施方式】
[0化引 實施方式1.
[0化9] 下面，說明本發(fā)明的實施方式1的電力變換裝置。圖1是實施方式1中的電力變 換裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，電力變換裝置具備用于將交流電源1的交流電力變換 為直流電力來輸出的主電路101和控制電路8。主電路101具備將作為來自交流電源1的 輸入的交流電壓進行整流的二極管整流電路200、作為限流電路的電抗器3、半橋結(jié)構(gòu)的逆 變器電路400、半導體開關501a、半導體開關601a W及將輸出電壓進行平滑的平滑電容器 7。
[0060] 在交流電源1的正側(cè)母線P1與負側(cè)母線N1之間連接了二極管整流電路200。二極 管整流電路200的正側(cè)母線P1側(cè)的端子連接在電抗器3,在電抗器3的后級連接了半橋型 的逆變器電路400的交流側(cè)端子。逆變器電路400是由兩個IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ;絕緣柵雙極型晶體管）等半導體開關401a、402a、W及直流電容器403構(gòu)成的 半橋結(jié)構(gòu)的逆變器。半導體開關401a是逆變器電路400的正側(cè)的第1半導體開關，半導體 開關402a是逆變器電路400的負側(cè)的第2半導體開關。并且，半導體開關401a與半導體 開關402a的連接點（交流側(cè)端子）連接在交流電源1的正側(cè)母線P1。
[0061] 作為第3半導體開關的半導體開關501a連接在逆變器電路400的正側(cè)的半導體 開關401a與平滑電容器7的正側(cè)P2之間。作為第4半導體開關的半導體開關601a連接 在逆變器電路400的負側(cè)的半導體開關402a與平滑電容器7的負側(cè)N2之間。此外，半導 體開關401a、402a是構(gòu)成逆變器電路400的半導體開關，半導體開關501a、601a是不構(gòu)成 逆變器電路400的半導體開關。平滑電容器7的負側(cè)N2直接連接在二極管整流電路200 的負側(cè)母線N1側(cè)的端子。
[0062] 在半導體開關401a、402a分別反并聯(lián)連接了二極管4(Ub、402b。另外，半導體開關 501a設為反并聯(lián)連接了二極管50化的IGBT等半導體開關元件，半導體開關601a也同樣 地是反并聯(lián)連接了二極管50化的IGBT等半導體開關元件。此外，半導體開關401a、402a、 501a、601a既可W是IGBT W外的半導體開關元件，也可W是在源極?漏極間內(nèi)置了二極管 的M0S陽T(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;金屬氧化物場效應晶 體管）等。另外，也可W省略半導體開關401a、半導體開關501a而只由二極管40化、50化 構(gòu)成。
[0063] 另外，電力變換裝置具備測量逆變器電路400的直流電容器403的直流電壓Vcl 的電壓計、測量平滑電容器7的直流電壓Vc2的電壓計、測量來自交流電源1的交流電壓 Vac的電壓計W及測量交流電流lac的電流計。
[0064] 控制電路8控制半導體開關4013、4023、5013、6013的導通'關斷?？刂齐娐?根 據(jù)逆變器電路400的直流電容器403的直流電壓Vcl、平滑電容器7的直流電壓Vc2、來自 交流電源1的交流電壓Vac W及交流電流lac，如平滑電容器7的直流電壓Vc2保持固定 的目標電壓Vc2 *、并且來自交流電源1的交流電流lac保持高功率因數(shù)、而且直流電容器 403的電壓Vcl保持固定的目標電壓（指令值Vcl * )地，生成向逆變器電路400的各半導 體開關401a、402a、半導體開關501a、601a的柵極信號9來輸出控制逆變器電路400 W及半 導體開關501a、601a。
[00化]更具體地說，控制電路8如直流電容器403的直流電壓Vcl追蹤直流電容器403的 指令值Vcl *地控制半導體開關601a的導通?關斷、并且如平滑電容器7的直流電壓Vc2 追蹤平滑電容器7的目標電壓Vc2 *、調(diào)整來自交流電源1的輸入功率因數(shù)來改善輸入功 率因數(shù)地控制半導體開關401a、402a的導通?關斷。在平滑電容器7連接了未圖示的負荷， 平時直流電壓Vc2比目標電壓Vc2 *低，控制電路8如變換來自交流電源1的交流電力來 向平滑電容器7提供直流電力地輸出控制逆變器電路400 W及半導體開關501a、601a。
[0066] 根據(jù)【專利附圖】
【附圖說明】該樣構(gòu)成的電力變換裝置的動作、即向平滑電容器7輸出直流電力 的動作。圖2?圖5是說明電力變換裝置的動作的電流路徑圖。在圖2?圖5中，電路結(jié) 構(gòu)與圖1相同，W粗線表示電流流經(jīng)的路徑。另外，圖6是表示說明電力變換裝置的動作的 各部的波形和逆變器電路400的直流電容器403的充放電的圖。在圖6中，圖6(a)表示交 流電壓Vac的電壓波形、圖6化）表示半導體開關601a的導通?關斷的狀態(tài)、圖6 (C)表示 直流電容器403的充放電的狀態(tài)。
[0067] 此外，輸出級的平滑電容器7的直流電壓Vc2比交流電源1的交流電壓Vac的峰 值電壓化高，在圖6中表示平滑電容器7的直流電壓Vc2被控制為固定的目標電壓Vc2 * 的狀態(tài)。該樣控制電路8將平滑電容器7的直流電壓的目標電壓Vc2 *設定為始終高于直 流電容器403的直流電壓Vcl。通過該樣設定，防止從逆變器電路400的直流電容器403向 平滑電容器7的電力流出，能夠進行電力變換裝置的穩(wěn)定的控制。
[0068] 從交流電源1輸出的交流電壓Vac被二極管整流電路200進行全波整流，因此W 交流電源1的交流周期的2倍周期進行動作。逆變器電路400如來自交流電源1的輸入功 率因數(shù)大概成為1地通過PWM(Pulse Wi化h Mo化lation ;脈寬調(diào)制）控制來控制交流電流 lac進行輸出，將交流側(cè)的產(chǎn)生電壓重疊到從交流電源1輸出的交流電壓Vac。下面，將來 自交流電源1的輸入功率因數(shù)大概成為1地控制交流電流lac簡單設為電流控制。
[0069] 表示在將交流電源1的電壓相位設為0、交流電壓Vac為正極性0《0 < 31的 情況下的四個半導體開關401a、402a、501a、601a的動作。通過二極管整流電路200的全波 整流，在負極性的n < 0《231的情況下，也成為與正極性〇《0 < 31的情況相同的動 作。
[0070] 在半導體開關402a、601a為導通、半導體開關401a、501a為關斷的情況下，如圖2 所示地交流電流lac穿過直流電容器403地流過。在半導體開關401a、601a為導通、半導 體開關402a、50la為關斷的情況下，如圖3所示地交流電流lac對直流電容器403進行充電 地流過。另外，在半導體開關402a、501a為導通、半導體開關401a、601a為關斷的情況下， 如圖4所示地交流電流lac將直流電容器403進行放電地流過。在半導體開關40la、50la 為導通、半導體開關402a、601a為關斷的情況下，如圖5所示地交流電流lac穿過直流電容 器403地流過。該樣，控制電路8控制半導體開關501a、601a使得在交流電源1的交流電 壓Vac的1/4周期切換一次導通?關斷。
[0071] 組合該四種半導體開關的導通?關斷控制來控制半導體開關401a、402a、501a、 601a從而對逆變器電路400進行PWM控制，由此使直流電容器403進行充放電來進行電流 控制。此外，當流經(jīng)半導體開關401a、501a的電流從發(fā)射極向集電極流過時，也可W關斷該 半導體開關元件來使電流流經(jīng)反并聯(lián)連接的二極管40化、50化。
[007引如圖6所示，在將交流電源1的交流電壓Vac的過零相位（0 = 0、31)設為中央 的±01(將01稱為導通相位）的相位范圍（規(guī)定的相位范圍）內(nèi)，將半導體開關601a 設為接通狀態(tài)（固定為導通）、半導體開關501a設為斷開狀態(tài)（固定為關斷）使平滑電容 器7旁通。此時，如圖2所示，來自交流電源1的交流電流lac被電抗器3限流，輸入到逆 變器電路400、并通過半導體開關601a回到交流電源1。通過圖2的動作模式，電抗器3被 勵磁，通過圖3的動作模式，電抗器3的勵磁被復位。另外，在圖2的動作模式的情況下通 過直流電容器403,在圖3的動作模式的情況下直流電容器403被充電。因而，通過組合圖 2的動作模式和圖3的動作模式來對逆變器電路400進行PWM控制，由此能夠?qū)χ绷麟娙萜?403進行充電、且進行電流控制。
[0073] 接著，如圖6所示，在將交流電源1的交流電壓Vac的過零相位設為中央的相位范 圍± 0 1 W外的相位范圍內(nèi)，將半導體開關601a設為斷開狀態(tài)、半導體開關501a設為接通 狀態(tài)來向平滑電容器7輸出直流電力。此時，如圖4所示，來自交流電源1的交流電流lac 被電抗器3限流，并輸入到逆變器電路400、通過半導體開關501a對平滑用電容器7進行充 電然后回到交流電源1。逆變器電路400輸出電壓（Vc2 * -Vac),通過重復圖4的動作模 式和圖5的動作模式在交流電源1相加逆變器電路400的輸出電壓（Vc2 * -Vac)來控制 平滑電容器7的直流電壓Vc2使得達到比交流電源1的峰值電壓高的目標電壓Vc2 *。
[0074] 在逆變器電路400中，通過圖4的動作模式使電抗器3被勵磁，通過圖5的動作模 式使電抗器3的勵磁復位。另外，在圖4的動作模式的情況下直流電容器403被放電、在圖 5的動作模式的情況下通過直流電容器403。因而，通過組合圖4的動作模式和圖5的動作 模式來對逆變器電路400進行PWM控制，由此能夠進行電流控制。
[0075] 如W上那樣，在交流電源1的交流電壓Vac的電壓相位0的過零相位（0 = 0、 。）±白1中切換半導體開關501a和半導體開關601a的控審IJ，只在W過零相位為中央的才目 位范圍± 0 1內(nèi)，將半導體開關601a設為接通狀態(tài)、半導體開關501a設為斷開狀態(tài)來使平 滑電容器7旁通。此時，控制電路8進行控制使得逆變器電路400產(chǎn)生與交流電壓Vac的 反極性大致相等的電壓、控制交流電流lac使得輸入功率因數(shù)大概成為1而進行輸出，從而 對直流電容器403進行充電。
[0076] 并且，在W該過零相位為中央的相位范圍± 0 1 W外的相位范圍內(nèi)，控制電路8將 半導體開關501a設為接通狀態(tài)、半導體開關601a設為斷開狀態(tài)，進行控制使得逆變器電路 400將平滑電容器7的直流電壓Vc2維持為目標電壓Vc2 *、控制交流電流lac使得輸入功 率因數(shù)大概成為1而進行輸出。此時，逆變器電路400產(chǎn)生平滑電容器7的直流電壓與交 流電源的差電壓（Vc2 * -Vac),直流電容器403被放電。此外，半導體開關60 la成為導通 的導通期間將過零相位（0 =0、n)設為中央，但是也可W是在包含過零相位的相位范圍 內(nèi)偏向某邊。
[0077] 另外，設定半導體開關601a的導通期間使得逆變器電路400的直流電容器403的 充電與放電的能量變得相等，能夠決定導通相位0 1。當逆變器電路400的直流電容器403 的充電與放電的能量設為相等時，式（1)成立。其中，化是交流電壓Vac的峰值電壓、Ip是 交流電流lac的峰值電流。
[0078] [數(shù)式 1]
[0079]
【權利要求】
1. 一種電力變換裝置，其特征在于，具備： 整流電路，對來自交流電源的輸入進行整流； 半橋型的逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關以及直流電容器，所述第 1半導體開關與所述第2半導體開關的連接點與所述交流電源的母線連接； 平滑電容器，對輸出電壓進行平滑； 第3半導體開關，連接在所述逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與所述平滑電 容器的正側(cè)之間； 第4半導體開關，連接在所述逆變器電路的負側(cè)的所述第2半導體開關與所述平滑電 容器的負側(cè)之間；以及 控制電路，控制所述第1?第4半導體開關的導通?關斷， 其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關的導通?關斷，使得所述直流電容器的直 流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，并且控制所述第1半導體開關以及所述第2半導 體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào) 整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
2. -種電力變換裝置，其特征在在于，具備： 正側(cè)電抗器，插入于交流電源的正側(cè)母線； 負側(cè)電抗器，插入于所述交流電源的負側(cè)母線； 半橋型的第1逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關以及第1直流電容器， 所述第1半導體開關與所述第2半導體開關的連接點與所述正側(cè)電抗器連接； 半橋型的第2逆變器電路，具有第5半導體開關、第6半導體開關以及第2直流電容器， 所述第5半導體開關與所述第6半導體開關的連接點與所述負側(cè)電抗器連接； 平滑電容器，對輸出電壓進行平滑； 第3半導體開關，連接在所述第1逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與所述平 滑電容器的正側(cè)之間； 第4半導體開關，連接在所述第1逆變器電路的負側(cè)的所述第2半導體開關與所述平 滑電容器的負側(cè)之間； 第7半導體開關，連接在所述第2逆變器電路的正側(cè)的所述第5半導體開關與所述平 滑電容器的正側(cè)之間； 第8半導體開關，連接在所述第2逆變器電路的負側(cè)的所述第6半導體開關與所述平 滑電容器的負側(cè)之間；以及 控制電路，控制所述第1?第8半導體開關的導通?關斷， 其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關以及所述第8半導體開關的導通?關斷， 使得所述第1直流電容器以及所述第2直流電容器的各自的直流電壓追蹤各自的目標電 壓，并且控制所述第1半導體開關、所述第2半導體開關、所述第5半導體開關以及所述第6 半導體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電 壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路根據(jù)所述交流電源的交流電壓的極性來切換將所述第1逆變器電路的 所述第1半導體開關以及所述第2半導體開關進行導通?關斷的控制、和將所述第2逆變 器電路的所述第5半導體開關以及所述第6半導體開關進行導通?關斷的控制，使所述平 滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率 因數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求2或者3所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路進行將所述平滑電容器的電力再生到所述交流電源的控制。
5. 根據(jù)權利要求4所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在供電動作時控制所述第1?第8半導體開關的導通?關斷使得對所述 直流電容器進行充電，在再生動作時控制所述第1?第8半導體開關的導通?關斷使得將 所述直流電容器進行放電。
6. 根據(jù)權利要求1?5中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路進行控制使得在所述交流電源的交流電壓的1/4周期切換1次與所述平 滑電容器的正側(cè)連接的半導體開關以及與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關的導 通?關斷。
7. 根據(jù)權利要求1?5中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路進行控制使得在所述交流電源的交流電壓的1/4周期切換多次與所述 平滑電容器的正側(cè)連接的半導體開關以及與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關的 導通?關斷。
8. 根據(jù)權利要求7所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述交流電源的交流電壓的1/4周期對與所述平滑電容器的負側(cè)連 接的半導體開關設定第1導通期間、第1關斷期間、第2導通期間、第2關斷期間，設定所述 第1關斷期間和所述第2導通期間使得所述直流電容器的直流電壓追蹤所述直流電容器的 目標電壓，設定所述第1導通期間和所述第2關斷期間使得所述平滑電容器的紋波電壓追 蹤規(guī)定的目標值。
9. 根據(jù)權利要求8所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路根據(jù)所述平滑電容器的電壓紋波的目標值來設定所述第1導通期間的 長度，設定所述第2關斷期間的長度使得所述第1導通期間中的所述平滑電容器的紋波電 壓與所述第2關斷期間中的所述平滑電容器的紋波電壓相等。
10. 根據(jù)權利要求7所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述交流電源的交流電壓的1/4周期對與所述平滑電容器的負側(cè)連 接的半導體開關設定第1導通期間、第1關斷期間、第2導通期間，設定所述第1導通期間 和所述第1關斷期間使得所述直流電容器的直流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，設 定所述第2導通期間使得所述平滑電容器的紋波電壓追蹤規(guī)定的目標值。
11. 根據(jù)權利要求10所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路根據(jù)所述平滑電容器的電壓紋波的目標值來設定所述第2導通期間的 長度。
12. 根據(jù)權利要求1?11中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路控制與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關的導通?關斷使得只在 包含所述交流電源的交流電壓的過零相位的規(guī)定的相位范圍內(nèi)導通，將所述平滑電容器進 行旁通來對所述直流電容器進行充電。
13. 根據(jù)權利要求1?12中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述交流電源的交流電壓的規(guī)定的相位范圍內(nèi)設定與所述平滑電容 器的負側(cè)連接的半導體開關成為導通的導通期間的長度，將所述直流電容器調(diào)整為規(guī)定的 電壓。
14. 根據(jù)權利要求1?13中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關導通的情況下將與所述 交流電源的交流電壓反極性的電壓設為校正電壓，在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導 體開關關斷的情況下將所述平滑電容器的直流電壓與所述交流電源的交流電壓的差電壓 設為校正電壓，通過對所述逆變器電路的電壓指令相加所述校正電壓的前饋控制來控制構(gòu) 成所述逆變器電路的半導體開關的導通?關斷。
15. 根據(jù)權利要求1?14中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路將所述平滑電容器的直流電壓的目標電壓設定得始終高于所述直流電 容器的直流電壓。
16. 根據(jù)權利要求1?15中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關為導通設定的期間內(nèi)所 述交流電源的交流電壓變得高于所述直流電容器的直流電壓的情況下，將所述逆變器電路 的正側(cè)的半導體開關固定為導通，將所述逆變器電路的負側(cè)的半導體開關固定為關斷，對 與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關進行PWM控制，使所述平滑電容器的直流電壓 追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
17. 根據(jù)權利要求1?15中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關為關斷設定的期間內(nèi)所 述平滑電容器的直流電壓與所述交流電源的交流電壓的差電壓高于所述直流電容器電壓 的直流電壓的情況下，將所述逆變器電路的正側(cè)的半導體開關固定為關斷，將所述逆變器 電路的負側(cè)的半導體開關固定為導通，對與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關進行 PWM控制，使所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整來自所述交 流電源的輸入功率因數(shù)。
18. 根據(jù)權利要求1?15中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關為導通設定的期間內(nèi)所 述交流電源的交流電壓高于所述直流電容器電壓的直流電壓的情況下、或者在與所述平滑 電容器的負側(cè)連接的半導體開關為關斷設定的期間內(nèi)所述平滑電容器的直流電壓與所述 交流電源的交流電壓的差電壓高于所述直流電容器的直流電壓的情況下，將所述逆變器電 路的正側(cè)的半導體開關固定為關斷，將所述平滑電容器的正側(cè)的半導體開關固定為關斷， 使所述逆變器電路的負側(cè)的半導體開關與連接在所述平滑電容器的負側(cè)的半導體開關同 步地進行PWM控制，使所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整 來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
19. 根據(jù)權利要求1?18中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 將與所述平滑電容器的正側(cè)連接的半導體開關替換為二極管、將所述逆變器電路的正 側(cè)的半導體開關替換為高頻驅(qū)動時的損耗小于所述二極管的高頻二極管。
20. 根據(jù)權利要求1?19中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 構(gòu)成所述逆變器電路的半導體開關以及二極管中的至少一個以上由帶隙比硅寬的寬 帶隙半導體形成。
【文檔編號】H02M7/12GK104488180SQ201380038278
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年5月30日 優(yōu)先權日:2012年7月19日
【發(fā)明者】近藤亮太, 高原貴昭, 村上哲, 山田正樹 申請人:三菱電機株式會社
【專利摘要】為了獲得即使以少的半導體開關數(shù)構(gòu)成也能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)控制和電容器的充放電控制的電力變換裝置，該電力變換裝置具備：半橋型的逆變器電路(400)，具有半導體開關(401a、402a)、以及直流電容器(403)，連接在交流電源(1)的正側(cè)母線；平滑電容器(7)；半導體開關(501a)，連接在半導體開關(401a)與平滑電容器(7)的正側(cè)之間；以及半導體開關(601a)，連接在半導體開關(402a)與平滑電容器(7)的負側(cè)之間，控制半導體開關(601a)的導通·關斷使得直流電容器(403)的直流電壓追蹤目標電壓，控制半導體開關(401a、402a)的導通·關斷使得平滑電容器(7)的直流電壓追蹤目標電壓、調(diào)整交流電源(1)的輸入功率因數(shù)。
【專利說明】電力變換裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種將單相逆變器的交流側(cè)的輸出重疊到電源輸出來獲得所期望的 直流電壓的電力變換裝置。
【背景技術】
[0002] W往的電力變換裝置具備交流電源、連接在交流電源的電抗器、橋式整流電路、平 滑電容器、連接在橋式整流電路的交流輸入端子間的雙向開關、串聯(lián)連接在直流輸出間的 第1?第4輔助開關W及電容器。并且，進行如下控制；在雙向開關導通之后、關斷為止的 期間使兩個輔助開關導通來對電容器進行充電。接著，進行如下控制；使該兩個輔助開關關 斷、雙向開關關斷著的期間使剩余的兩個輔助開關導通來使電容器進行放電。通過進行該 種控制，防止電抗器的電壓驟變來抑制噪音的產(chǎn)生、并且實現(xiàn)雙向開關的零電流開關、零電 壓開關，從而能夠?qū)崿F(xiàn)降低噪聲和損耗（例如參照專利文獻1)。
[0003] 專利文獻1 ;日本特開2008-141901號公報（第6-9頁、圖1-7)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 在W往的電力變換裝置中，希望滿足高功率因數(shù)控制、連接在輔助開關的電容器 的充放電控制W及向電抗器的電壓驟變的防止功能、且將電力變換裝置進一步小型化。然 而，在為了電力變換裝置的小型化而削減了半導體開關、二極管等半導體元件數(shù)的情況下， 例如削減雙向開關時不能滿足高功率因數(shù)控制。另外，當刪除輔助開關時不能滿足電容器 對電抗器的電壓驟變防止功能。因此，存在不能削減該W上的半導體元件該樣的問題點。
[0005] 本發(fā)明是為了解決如上所述的課題而作出的，W少的半導體開關數(shù)構(gòu)成電力變換 裝置、實現(xiàn)高功率因數(shù)控制、電容器的充放電控制W及向電抗器的電壓驟變防止功能。
[0006] 本發(fā)明的電力變換裝置具備：整流電路，對來自交流電源的輸入進行整流；半橋 型的逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關W及直流電容器，所述第1半導體 開關與所述第2半導體開關的連接點與所述交流電源的母線連接；平滑電容器，對輸出電 壓進行平滑；第3半導體開關，連接在所述逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與所述 平滑電容器的正側(cè)之間；第4半導體開關，連接在所述逆變器電路的負側(cè)的所述第2半導體 開關與所述平滑電容器的負側(cè)之間；W及控制電路，控制所述第1?第4半導體開關的導 通?關斷，其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關的導通?關斷，使得所述直流電容 器的直流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，并且控制所述第1半導體開關W及所述第 2半導體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標 電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
[0007] 本發(fā)明的電力變換裝置具備；具備；整流電路，對來自交流電源的輸入進行整流； 半橋型的逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關W及直流電容器，所述第1半 導體開關與所述第2半導體開關的連接點與所述交流電源的母線連接；平滑電容器，對輸 出電壓進行平滑；第3半導體開關，連接在所述逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與 所述平滑電容器的正側(cè)之間；第4半導體開關，連接在所述逆變器電路的負側(cè)的所述第2半 導體開關與所述平滑電容器的負側(cè)之間；W及控制電路，控制所述第1?第4半導體開關的 導通?關斷，其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關的導通?關斷，使得所述直流電 容器的直流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，并且控制所述第1半導體開關W及所述 第2半導體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目 標電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)，因此即使W少的半導體開關數(shù)構(gòu)成，也能 夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)控制、電容器的充放電控制和向電抗器的電壓驟變防止。因此，能夠?qū)崿F(xiàn) 電力變換裝置的小型化、輕量化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[000引圖1是本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0009] 圖2是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0010] 圖3是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0011] 圖4是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0012] 圖5是說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的電流路徑圖。
[0013] 圖6是表示說明本發(fā)明的實施方式1中的電力變換裝置的動作的各部的波形和逆 變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0014] 圖7是本發(fā)明的實施方式1中的逆變器電路的輸出控制中的控制框圖。
[0015] 圖8是本發(fā)明的實施方式1中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0016] 圖9是本發(fā)明的實施方式2中的逆變器電路的輸出控制中的控制框圖。
[0017] 圖10是對本發(fā)明的實施方式2中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0018] 圖11是本發(fā)明的實施方式2中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0019] 圖12是對本發(fā)明的實施方式2中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0020] 圖13是對本發(fā)明的實施方式2中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0021] 圖14是本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖15是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0023] 圖16是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0024] 圖17是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0025] 圖18是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0026] 圖19是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0027] 圖20是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。 [002引圖21是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0029] 圖22是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的電流路徑圖。
[0030] 圖23是表示說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的供電動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0031] 圖24是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0032] 圖25是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0033] 圖26是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0034] 圖27是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0035] 圖28是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0036] 圖29是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0037] 圖30是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。 [003引圖31是說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的電流路徑圖。
[0039] 圖32是表示說明本發(fā)明的實施方式3中的電力變換裝置的再生動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0040] 圖33是本發(fā)明的實施方式3中的逆變器電路的輸出控制中的控制框圖。
[0041] 圖34是對本發(fā)明的實施方式3中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0042] 圖35是本發(fā)明的實施方式3中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0043] 圖36是對本發(fā)明的實施方式3中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0044] 圖37是表示說明本發(fā)明的實施方式4中的電力變換裝置的動作的各部的波形和 逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0045] 圖38是本發(fā)明的實施方式4中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0046] 圖39是表示說明本發(fā)明的實施方式5中的電力變換裝置的動作的各部的波形和 逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0047] 圖40是本發(fā)明的實施方式5中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0048] 圖41是表示說明本發(fā)明的實施方式6中的電力變換裝置的供電動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0049] 圖42是表示說明本發(fā)明的實施方式6中的電力變換裝置的再生動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0化日]圖43是本發(fā)明的實施方式6中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0051] 圖44是對本發(fā)明的實施方式6中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0化2] 圖45是表示說明本發(fā)明的實施方式7中的電力變換裝置的供電動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0化3] 圖46是表示說明本發(fā)明的實施方式7中的電力變換裝置的再生動作的各部的波 形和逆變器電路的直流電容器充放電的圖。
[0化4] 圖47是本發(fā)明的實施方式7中的半導體開關的輸出控制中的控制框圖。
[0055] 圖48是對本發(fā)明的實施方式7中的柵極信號選擇器的詳細功能記述的控制框圖。
[0056] 附圖標記說明
[0057] 1 ;交流電源；2、3 ;主電路電抗器；7、10 ;平滑電容器；8、11 ;控制電路；101、102、 200 ;二極管整流電路；400、700 ;逆變器電路；401a、402a、501a、601a、701a、702a、801a、 901a ;半導體開關；40化、40化、50化、60化、70化、70化、80化、90化；二極管；403、703;直流 電容器。
【具體實施方式】
[0化引 實施方式1.
[0化9] 下面，說明本發(fā)明的實施方式1的電力變換裝置。圖1是實施方式1中的電力變 換裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，電力變換裝置具備用于將交流電源1的交流電力變換 為直流電力來輸出的主電路101和控制電路8。主電路101具備將作為來自交流電源1的 輸入的交流電壓進行整流的二極管整流電路200、作為限流電路的電抗器3、半橋結(jié)構(gòu)的逆 變器電路400、半導體開關501a、半導體開關601a W及將輸出電壓進行平滑的平滑電容器 7。
[0060] 在交流電源1的正側(cè)母線P1與負側(cè)母線N1之間連接了二極管整流電路200。二極 管整流電路200的正側(cè)母線P1側(cè)的端子連接在電抗器3,在電抗器3的后級連接了半橋型 的逆變器電路400的交流側(cè)端子。逆變器電路400是由兩個IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ;絕緣柵雙極型晶體管）等半導體開關401a、402a、W及直流電容器403構(gòu)成的 半橋結(jié)構(gòu)的逆變器。半導體開關401a是逆變器電路400的正側(cè)的第1半導體開關，半導體 開關402a是逆變器電路400的負側(cè)的第2半導體開關。并且，半導體開關401a與半導體 開關402a的連接點（交流側(cè)端子）連接在交流電源1的正側(cè)母線P1。
[0061] 作為第3半導體開關的半導體開關501a連接在逆變器電路400的正側(cè)的半導體 開關401a與平滑電容器7的正側(cè)P2之間。作為第4半導體開關的半導體開關601a連接 在逆變器電路400的負側(cè)的半導體開關402a與平滑電容器7的負側(cè)N2之間。此外，半導 體開關401a、402a是構(gòu)成逆變器電路400的半導體開關，半導體開關501a、601a是不構(gòu)成 逆變器電路400的半導體開關。平滑電容器7的負側(cè)N2直接連接在二極管整流電路200 的負側(cè)母線N1側(cè)的端子。
[0062] 在半導體開關401a、402a分別反并聯(lián)連接了二極管4(Ub、402b。另外，半導體開關 501a設為反并聯(lián)連接了二極管50化的IGBT等半導體開關元件，半導體開關601a也同樣 地是反并聯(lián)連接了二極管50化的IGBT等半導體開關元件。此外，半導體開關401a、402a、 501a、601a既可W是IGBT W外的半導體開關元件，也可W是在源極?漏極間內(nèi)置了二極管 的M0S陽T(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;金屬氧化物場效應晶 體管）等。另外，也可W省略半導體開關401a、半導體開關501a而只由二極管40化、50化 構(gòu)成。
[0063] 另外，電力變換裝置具備測量逆變器電路400的直流電容器403的直流電壓Vcl 的電壓計、測量平滑電容器7的直流電壓Vc2的電壓計、測量來自交流電源1的交流電壓 Vac的電壓計W及測量交流電流lac的電流計。
[0064] 控制電路8控制半導體開關4013、4023、5013、6013的導通'關斷?？刂齐娐?根 據(jù)逆變器電路400的直流電容器403的直流電壓Vcl、平滑電容器7的直流電壓Vc2、來自 交流電源1的交流電壓Vac W及交流電流lac，如平滑電容器7的直流電壓Vc2保持固定 的目標電壓Vc2 *、并且來自交流電源1的交流電流lac保持高功率因數(shù)、而且直流電容器 403的電壓Vcl保持固定的目標電壓（指令值Vcl * )地，生成向逆變器電路400的各半導 體開關401a、402a、半導體開關501a、601a的柵極信號9來輸出控制逆變器電路400 W及半 導體開關501a、601a。
[00化]更具體地說，控制電路8如直流電容器403的直流電壓Vcl追蹤直流電容器403的 指令值Vcl *地控制半導體開關601a的導通?關斷、并且如平滑電容器7的直流電壓Vc2 追蹤平滑電容器7的目標電壓Vc2 *、調(diào)整來自交流電源1的輸入功率因數(shù)來改善輸入功 率因數(shù)地控制半導體開關401a、402a的導通?關斷。在平滑電容器7連接了未圖示的負荷， 平時直流電壓Vc2比目標電壓Vc2 *低，控制電路8如變換來自交流電源1的交流電力來 向平滑電容器7提供直流電力地輸出控制逆變器電路400 W及半導體開關501a、601a。
[0066] 根據(jù)【專利附圖】
【附圖說明】該樣構(gòu)成的電力變換裝置的動作、即向平滑電容器7輸出直流電力 的動作。圖2?圖5是說明電力變換裝置的動作的電流路徑圖。在圖2?圖5中，電路結(jié) 構(gòu)與圖1相同，W粗線表示電流流經(jīng)的路徑。另外，圖6是表示說明電力變換裝置的動作的 各部的波形和逆變器電路400的直流電容器403的充放電的圖。在圖6中，圖6(a)表示交 流電壓Vac的電壓波形、圖6化）表示半導體開關601a的導通?關斷的狀態(tài)、圖6 (C)表示 直流電容器403的充放電的狀態(tài)。
[0067] 此外，輸出級的平滑電容器7的直流電壓Vc2比交流電源1的交流電壓Vac的峰 值電壓化高，在圖6中表示平滑電容器7的直流電壓Vc2被控制為固定的目標電壓Vc2 * 的狀態(tài)。該樣控制電路8將平滑電容器7的直流電壓的目標電壓Vc2 *設定為始終高于直 流電容器403的直流電壓Vcl。通過該樣設定，防止從逆變器電路400的直流電容器403向 平滑電容器7的電力流出，能夠進行電力變換裝置的穩(wěn)定的控制。
[0068] 從交流電源1輸出的交流電壓Vac被二極管整流電路200進行全波整流，因此W 交流電源1的交流周期的2倍周期進行動作。逆變器電路400如來自交流電源1的輸入功 率因數(shù)大概成為1地通過PWM(Pulse Wi化h Mo化lation ;脈寬調(diào)制）控制來控制交流電流 lac進行輸出，將交流側(cè)的產(chǎn)生電壓重疊到從交流電源1輸出的交流電壓Vac。下面，將來 自交流電源1的輸入功率因數(shù)大概成為1地控制交流電流lac簡單設為電流控制。
[0069] 表示在將交流電源1的電壓相位設為0、交流電壓Vac為正極性0《0 < 31的 情況下的四個半導體開關401a、402a、501a、601a的動作。通過二極管整流電路200的全波 整流，在負極性的n < 0《231的情況下，也成為與正極性〇《0 < 31的情況相同的動 作。
[0070] 在半導體開關402a、601a為導通、半導體開關401a、501a為關斷的情況下，如圖2 所示地交流電流lac穿過直流電容器403地流過。在半導體開關401a、601a為導通、半導 體開關402a、50la為關斷的情況下，如圖3所示地交流電流lac對直流電容器403進行充電 地流過。另外，在半導體開關402a、501a為導通、半導體開關401a、601a為關斷的情況下， 如圖4所示地交流電流lac將直流電容器403進行放電地流過。在半導體開關40la、50la 為導通、半導體開關402a、601a為關斷的情況下，如圖5所示地交流電流lac穿過直流電容 器403地流過。該樣，控制電路8控制半導體開關501a、601a使得在交流電源1的交流電 壓Vac的1/4周期切換一次導通?關斷。
[0071] 組合該四種半導體開關的導通?關斷控制來控制半導體開關401a、402a、501a、 601a從而對逆變器電路400進行PWM控制，由此使直流電容器403進行充放電來進行電流 控制。此外，當流經(jīng)半導體開關401a、501a的電流從發(fā)射極向集電極流過時，也可W關斷該 半導體開關元件來使電流流經(jīng)反并聯(lián)連接的二極管40化、50化。
[007引如圖6所示，在將交流電源1的交流電壓Vac的過零相位（0 = 0、31)設為中央 的±01(將01稱為導通相位）的相位范圍（規(guī)定的相位范圍）內(nèi)，將半導體開關601a 設為接通狀態(tài)（固定為導通）、半導體開關501a設為斷開狀態(tài)（固定為關斷）使平滑電容 器7旁通。此時，如圖2所示，來自交流電源1的交流電流lac被電抗器3限流，輸入到逆 變器電路400、并通過半導體開關601a回到交流電源1。通過圖2的動作模式，電抗器3被 勵磁，通過圖3的動作模式，電抗器3的勵磁被復位。另外，在圖2的動作模式的情況下通 過直流電容器403,在圖3的動作模式的情況下直流電容器403被充電。因而，通過組合圖 2的動作模式和圖3的動作模式來對逆變器電路400進行PWM控制，由此能夠?qū)χ绷麟娙萜?403進行充電、且進行電流控制。
[0073] 接著，如圖6所示，在將交流電源1的交流電壓Vac的過零相位設為中央的相位范 圍± 0 1 W外的相位范圍內(nèi)，將半導體開關601a設為斷開狀態(tài)、半導體開關501a設為接通 狀態(tài)來向平滑電容器7輸出直流電力。此時，如圖4所示，來自交流電源1的交流電流lac 被電抗器3限流，并輸入到逆變器電路400、通過半導體開關501a對平滑用電容器7進行充 電然后回到交流電源1。逆變器電路400輸出電壓（Vc2 * -Vac),通過重復圖4的動作模 式和圖5的動作模式在交流電源1相加逆變器電路400的輸出電壓（Vc2 * -Vac)來控制 平滑電容器7的直流電壓Vc2使得達到比交流電源1的峰值電壓高的目標電壓Vc2 *。
[0074] 在逆變器電路400中，通過圖4的動作模式使電抗器3被勵磁，通過圖5的動作模 式使電抗器3的勵磁復位。另外，在圖4的動作模式的情況下直流電容器403被放電、在圖 5的動作模式的情況下通過直流電容器403。因而，通過組合圖4的動作模式和圖5的動作 模式來對逆變器電路400進行PWM控制，由此能夠進行電流控制。
[0075] 如W上那樣，在交流電源1的交流電壓Vac的電壓相位0的過零相位（0 = 0、 。）±白1中切換半導體開關501a和半導體開關601a的控審IJ，只在W過零相位為中央的才目 位范圍± 0 1內(nèi)，將半導體開關601a設為接通狀態(tài)、半導體開關501a設為斷開狀態(tài)來使平 滑電容器7旁通。此時，控制電路8進行控制使得逆變器電路400產(chǎn)生與交流電壓Vac的 反極性大致相等的電壓、控制交流電流lac使得輸入功率因數(shù)大概成為1而進行輸出，從而 對直流電容器403進行充電。
[0076] 并且，在W該過零相位為中央的相位范圍± 0 1 W外的相位范圍內(nèi)，控制電路8將 半導體開關501a設為接通狀態(tài)、半導體開關601a設為斷開狀態(tài)，進行控制使得逆變器電路 400將平滑電容器7的直流電壓Vc2維持為目標電壓Vc2 *、控制交流電流lac使得輸入功 率因數(shù)大概成為1而進行輸出。此時，逆變器電路400產(chǎn)生平滑電容器7的直流電壓與交 流電源的差電壓（Vc2 * -Vac),直流電容器403被放電。此外，半導體開關60 la成為導通 的導通期間將過零相位（0 =0、n)設為中央，但是也可W是在包含過零相位的相位范圍 內(nèi)偏向某邊。
[0077] 另外，設定半導體開關601a的導通期間使得逆變器電路400的直流電容器403的 充電與放電的能量變得相等，能夠決定導通相位0 1。當逆變器電路400的直流電容器403 的充電與放電的能量設為相等時，式（1)成立。其中，化是交流電壓Vac的峰值電壓、Ip是 交流電流lac的峰值電流。
[0078] [數(shù)式 1]
[0079]
【權利要求】
1. 一種電力變換裝置，其特征在于，具備： 整流電路，對來自交流電源的輸入進行整流； 半橋型的逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關以及直流電容器，所述第 1半導體開關與所述第2半導體開關的連接點與所述交流電源的母線連接； 平滑電容器，對輸出電壓進行平滑； 第3半導體開關，連接在所述逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與所述平滑電 容器的正側(cè)之間； 第4半導體開關，連接在所述逆變器電路的負側(cè)的所述第2半導體開關與所述平滑電 容器的負側(cè)之間；以及 控制電路，控制所述第1?第4半導體開關的導通?關斷， 其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關的導通?關斷，使得所述直流電容器的直 流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，并且控制所述第1半導體開關以及所述第2半導 體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào) 整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
2. -種電力變換裝置，其特征在在于，具備： 正側(cè)電抗器，插入于交流電源的正側(cè)母線； 負側(cè)電抗器，插入于所述交流電源的負側(cè)母線； 半橋型的第1逆變器電路，具有第1半導體開關、第2半導體開關以及第1直流電容器， 所述第1半導體開關與所述第2半導體開關的連接點與所述正側(cè)電抗器連接； 半橋型的第2逆變器電路，具有第5半導體開關、第6半導體開關以及第2直流電容器， 所述第5半導體開關與所述第6半導體開關的連接點與所述負側(cè)電抗器連接； 平滑電容器，對輸出電壓進行平滑； 第3半導體開關，連接在所述第1逆變器電路的正側(cè)的所述第1半導體開關與所述平 滑電容器的正側(cè)之間； 第4半導體開關，連接在所述第1逆變器電路的負側(cè)的所述第2半導體開關與所述平 滑電容器的負側(cè)之間； 第7半導體開關，連接在所述第2逆變器電路的正側(cè)的所述第5半導體開關與所述平 滑電容器的正側(cè)之間； 第8半導體開關，連接在所述第2逆變器電路的負側(cè)的所述第6半導體開關與所述平 滑電容器的負側(cè)之間；以及 控制電路，控制所述第1?第8半導體開關的導通?關斷， 其中，所述控制電路控制所述第4半導體開關以及所述第8半導體開關的導通?關斷， 使得所述第1直流電容器以及所述第2直流電容器的各自的直流電壓追蹤各自的目標電 壓，并且控制所述第1半導體開關、所述第2半導體開關、所述第5半導體開關以及所述第6 半導體開關的導通?關斷，使得所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電 壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路根據(jù)所述交流電源的交流電壓的極性來切換將所述第1逆變器電路的 所述第1半導體開關以及所述第2半導體開關進行導通?關斷的控制、和將所述第2逆變 器電路的所述第5半導體開關以及所述第6半導體開關進行導通?關斷的控制，使所述平 滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率 因數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求2或者3所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路進行將所述平滑電容器的電力再生到所述交流電源的控制。
5. 根據(jù)權利要求4所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在供電動作時控制所述第1?第8半導體開關的導通?關斷使得對所述 直流電容器進行充電，在再生動作時控制所述第1?第8半導體開關的導通?關斷使得將 所述直流電容器進行放電。
6. 根據(jù)權利要求1?5中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路進行控制使得在所述交流電源的交流電壓的1/4周期切換1次與所述平 滑電容器的正側(cè)連接的半導體開關以及與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關的導 通?關斷。
7. 根據(jù)權利要求1?5中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路進行控制使得在所述交流電源的交流電壓的1/4周期切換多次與所述 平滑電容器的正側(cè)連接的半導體開關以及與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關的 導通?關斷。
8. 根據(jù)權利要求7所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述交流電源的交流電壓的1/4周期對與所述平滑電容器的負側(cè)連 接的半導體開關設定第1導通期間、第1關斷期間、第2導通期間、第2關斷期間，設定所述 第1關斷期間和所述第2導通期間使得所述直流電容器的直流電壓追蹤所述直流電容器的 目標電壓，設定所述第1導通期間和所述第2關斷期間使得所述平滑電容器的紋波電壓追 蹤規(guī)定的目標值。
9. 根據(jù)權利要求8所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路根據(jù)所述平滑電容器的電壓紋波的目標值來設定所述第1導通期間的 長度，設定所述第2關斷期間的長度使得所述第1導通期間中的所述平滑電容器的紋波電 壓與所述第2關斷期間中的所述平滑電容器的紋波電壓相等。
10. 根據(jù)權利要求7所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述交流電源的交流電壓的1/4周期對與所述平滑電容器的負側(cè)連 接的半導體開關設定第1導通期間、第1關斷期間、第2導通期間，設定所述第1導通期間 和所述第1關斷期間使得所述直流電容器的直流電壓追蹤所述直流電容器的目標電壓，設 定所述第2導通期間使得所述平滑電容器的紋波電壓追蹤規(guī)定的目標值。
11. 根據(jù)權利要求10所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路根據(jù)所述平滑電容器的電壓紋波的目標值來設定所述第2導通期間的 長度。
12. 根據(jù)權利要求1?11中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路控制與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關的導通?關斷使得只在 包含所述交流電源的交流電壓的過零相位的規(guī)定的相位范圍內(nèi)導通，將所述平滑電容器進 行旁通來對所述直流電容器進行充電。
13. 根據(jù)權利要求1?12中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述交流電源的交流電壓的規(guī)定的相位范圍內(nèi)設定與所述平滑電容 器的負側(cè)連接的半導體開關成為導通的導通期間的長度，將所述直流電容器調(diào)整為規(guī)定的 電壓。
14. 根據(jù)權利要求1?13中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關導通的情況下將與所述 交流電源的交流電壓反極性的電壓設為校正電壓，在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導 體開關關斷的情況下將所述平滑電容器的直流電壓與所述交流電源的交流電壓的差電壓 設為校正電壓，通過對所述逆變器電路的電壓指令相加所述校正電壓的前饋控制來控制構(gòu) 成所述逆變器電路的半導體開關的導通?關斷。
15. 根據(jù)權利要求1?14中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路將所述平滑電容器的直流電壓的目標電壓設定得始終高于所述直流電 容器的直流電壓。
16. 根據(jù)權利要求1?15中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關為導通設定的期間內(nèi)所 述交流電源的交流電壓變得高于所述直流電容器的直流電壓的情況下，將所述逆變器電路 的正側(cè)的半導體開關固定為導通，將所述逆變器電路的負側(cè)的半導體開關固定為關斷，對 與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關進行PWM控制，使所述平滑電容器的直流電壓 追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
17. 根據(jù)權利要求1?15中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關為關斷設定的期間內(nèi)所 述平滑電容器的直流電壓與所述交流電源的交流電壓的差電壓高于所述直流電容器電壓 的直流電壓的情況下，將所述逆變器電路的正側(cè)的半導體開關固定為關斷，將所述逆變器 電路的負側(cè)的半導體開關固定為導通，對與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關進行 PWM控制，使所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整來自所述交 流電源的輸入功率因數(shù)。
18. 根據(jù)權利要求1?15中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在與所述平滑電容器的負側(cè)連接的半導體開關為導通設定的期間內(nèi)所 述交流電源的交流電壓高于所述直流電容器電壓的直流電壓的情況下、或者在與所述平滑 電容器的負側(cè)連接的半導體開關為關斷設定的期間內(nèi)所述平滑電容器的直流電壓與所述 交流電源的交流電壓的差電壓高于所述直流電容器的直流電壓的情況下，將所述逆變器電 路的正側(cè)的半導體開關固定為關斷，將所述平滑電容器的正側(cè)的半導體開關固定為關斷， 使所述逆變器電路的負側(cè)的半導體開關與連接在所述平滑電容器的負側(cè)的半導體開關同 步地進行PWM控制，使所述平滑電容器的直流電壓追蹤所述平滑電容器的目標電壓，調(diào)整 來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)。
19. 根據(jù)權利要求1?18中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 將與所述平滑電容器的正側(cè)連接的半導體開關替換為二極管、將所述逆變器電路的正 側(cè)的半導體開關替換為高頻驅(qū)動時的損耗小于所述二極管的高頻二極管。
20. 根據(jù)權利要求1?19中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 構(gòu)成所述逆變器電路的半導體開關以及二極管中的至少一個以上由帶隙比硅寬的寬 帶隙半導體形成。
【文檔編號】H02M7/12GK104488180SQ201380038278
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年5月30日 優(yōu)先權日:2012年7月19日
【發(fā)明者】近藤亮太, 高原貴昭, 村上哲, 山田正樹 申請人:三菱電機株式會社
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