マトリクスコンバータ
【課題】双方向スイッチの制御を容易に行うことができるマトリクスコンバータを提供すること。
【解決手段】交流電源２の各相と負荷３の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備えた電力変換部１０と、複数の双方向スイッチを制御する制御部２０とを備える。制御部２０は、負荷側相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち最大の相間電圧を、当該最大の相間電圧にする相と交流電源側相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチを制御して生成する。また、制御部２０は、負荷側相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち中間の相間電圧を、当該中間の相間電圧にする相と交流電源側相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチを制御して生成する。
【解決手段】交流電源２の各相と負荷３の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備えた電力変換部１０と、複数の双方向スイッチを制御する制御部２０とを備える。制御部２０は、負荷側相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち最大の相間電圧を、当該最大の相間電圧にする相と交流電源側相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチを制御して生成する。また、制御部２０は、負荷側相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち中間の相間電圧を、当該中間の相間電圧にする相と交流電源側相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチを制御して生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクスコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マトリクスコンバータは、高調波電流の抑制や回生電力の有効利用が可能であることから、新しい電力変換装置として注目されている。マトリクスコンバータは、例えば、交流電源の各相と負荷の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備え、これらの双方向スイッチを制御して、交流電源の各相電圧を直接スイッチングして負荷へ任意の電圧・周波数を出力する。
【０００３】
かかるマトリクスコンバータは、双方向スイッチをＰＷＭ制御し、その導通比率を制御するものであるため、負荷側電圧が交流電源側電圧よりも低い電圧であることが一般的である。しかし、近年、負荷側電圧を交流電源側電圧よりも高い電圧にする昇圧機能を有するものが提案されている。
【０００４】
昇圧機能を有するマトリクスコンバータは、例えば、交流電源の各相と双方向スイッチとの間にリアクトルを備え、かつ負荷に接続される出力の各相を接続するコンデンサを備え、双方向スイッチを制御することによって、２以上のリアクトルの双方向スイッチ側端子間を短絡後、コンデンサに接続する。これにより、マトリクスコンバータにおいて、負荷側電圧を交流電源側電圧よりも高い電圧にする昇圧機能が実現される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／１１２２７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マトリクスコンバータにおいては、双方向スイッチの制御を容易に行うことが望まれる。
【０００７】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、昇圧機能の有無によらず双方向スイッチの制御を容易に行うことができるマトリクスコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の開示するマトリクスコンバータは、一態様において、交流電源の各相と負荷の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備えた電力変換部と、前記複数の双方向スイッチを制御する制御部とを備え、前記制御部は、負荷側相間電圧のうち最大の相間電圧を、前記最大の相間電圧に対する相と交流電源側相間電圧のうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成し、前記負荷側相間電圧のうち中間の相間電圧を、前記中間の相間電圧に対する相と前記交流電源側相間電圧のうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本願の開示するマトリクスコンバータの一つの態様によれば、双方向スイッチの制御を容易に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例に係るマトリクスコンバータの構成を示す図である。
【図２】図２は、Ｂモードにおける回路構成の説明図である。
【図３】図３は、昇圧動作時の双方向スイッチの制御例を示す図である。
【図４】図４は、図３に示す区間Ｌの拡大図である。
【図５】図５は、表３に示す区間Ｌｃ，Ｌｇにおいて電流が流れる経路を示す図である。
【図６】図６は、入力相の電圧と入力区間との関係を示す図である。
【図７】図７は、入力相の電圧と入力区間との関係を示す図である。
【図８】図８は、図１に示す制御部による双方向スイッチの制御の一例を示す図である。
【図９】図９は、図８に示す区間Ｔ１１の拡大図である。
【図１０】図１０は、図１に示す制御部の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＰＷＭ信号発生部によるＰＷＭ信号の生成方法の説明図である。
【図１２】図１２は、図１０に示すＰＷＭ信号発生部によるＰＷＭ信号の生成方法の説明図である。
【図１３】図１３は、相間電圧指令の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本願の開示するマトリクスコンバータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１２】
［マトリクスコンバータの全体構成］
まず、実施例に係るマトリクスコンバータの全体構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施例に係るマトリクスコンバータ１の構成を示す図である。図１に示すように、実施例に係るマトリクスコンバータ１は、交流電源２と負荷３との間に設けられる。
【００１３】
マトリクスコンバータ１は、交流電源２と負荷３との間で双方向の電力変換を行うことが可能であり、さらに、交流電源２と負荷３との間で昇降圧を行うことが可能である。かかるマトリクスコンバータ１では、電力変換の方向は、例えば、設定器４からの設定に基づき決定される。また、負荷３として、例えば、交流発電機や交流電動機などを適用することができる。なお、以下においては、交流電源２側を入力側と記載し、負荷３側を出力側と記載する。
【００１４】
マトリクスコンバータ１は、図１に示すように、電力変換部１０と、入力側リアクトル群１１と、入力側コンデンサ群１２と、入力側スイッチ１３と、出力側リアクトル群１４と、出力側コンデンサ群１５と、出力側スイッチ１６と、制御部２０とを備える。
【００１５】
電力変換部１０は、交流電源２の各相と負荷３の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕ，Ｓｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗ（以下、双方向スイッチＳと総称する場合がある）を備える。双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕは、交流電源２のＲ相，Ｓ相，Ｔ相と負荷３のＵ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖは、交流電源２のＲ相，Ｓ相，Ｔ相と負荷３のＶ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗは、交流電源２のＲ相，Ｓ相，Ｔ相と負荷３のＷ相とをそれぞれ接続する。
【００１６】
双方向スイッチＳは、例えば、単一方向のスイッチング素子を互いに逆方向に並列接続した２素子から構成することができる。スイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチが用いられる。そして、かかる半導体スイッチのゲートに信号を入力して各半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることで、通電方向が制御される。
【００１７】
入力側リアクトル群１１は、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓ，Ｌ１ｔ（以下、第１リアクトルＬ１と総称する場合がある）を備える。第１リアクトルＬ１ｒは、交流電源２のＲ相と双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗとの間に設けられる。第１リアクトルＬ１ｓは、交流電源２のＳ相と双方向スイッチＳｓｕ，Ｓｓｖ，Ｓｓｗとの間に設けられる。第１リアクトルＬ１ｔは、交流電源２のＴ相と双方向スイッチＳｔｕ，Ｓｔｖ，Ｓｔｗとの間に設けられる。
【００１８】
入力側コンデンサ群１２は、第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔ（以下、第１コンデンサＣ１と総称する場合がある）を備える。第１コンデンサＣ１ｒは、第１リアクトルＬ１ｒの双方向スイッチＳ側端子と入力側スイッチ１３との間に設けられる。第１コンデンサＣ１ｓは、第１リアクトルＬ１ｓの双方向スイッチＳ側端子と入力側スイッチ１３との間に設けられる。第１コンデンサＣ１ｔは、第１リアクトルＬ１ｔの双方向スイッチＳ側端子と入力側スイッチ１３との間に設けられる。
【００１９】
入力側スイッチ１３は、一端が双方向スイッチＳに接続された第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔの他端を互いに接続するスイッチである。すなわち、入力側スイッチ１３がオンのとき、第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔの他端が互いに接続された状態になり、入力側スイッチ１３がオフのとき、第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔの他端がそれぞれ開放された状態になる。
【００２０】
出力側リアクトル群１４は、第２リアクトルＬ２ｕ，Ｌ２ｖ，Ｌ２ｗ（以下、第２リアクトルＬ２と総称する場合がある）を備える。第２リアクトルＬ２ｕは、負荷３のＵ相と双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕとの間に設けられる。第２リアクトルＬ２ｖは、負荷３のＶ相と双方向スイッチＳｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖとの間に設けられる。第２リアクトルＬ２ｗは、負荷３のＷ相と双方向スイッチＳｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗとの間に設けられる。
【００２１】
出力側コンデンサ群１５は、第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗ（以下、第２コンデンサＣ２と総称する場合がある）を備える。第２コンデンサＣ２ｕは、第２リアクトルＬ２ｕの双方向スイッチＳ側端子と出力側スイッチ１６との間に設けられる。第２コンデンサＣ２ｖは、第２リアクトルＬ２ｖの双方向スイッチＳ側端子と出力側スイッチ１６との間に設けられる。第２コンデンサＣ２ｗは、第２リアクトルＬ２ｗの双方向スイッチＳ側端子と出力側スイッチ１６との間に設けられる。
【００２２】
出力側スイッチ１６は、一端が双方向スイッチＳに接続された第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗの他端を互いに接続するスイッチである。すなわち、出力側スイッチ１６がオンのとき、第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗの他端が互いに接続された状態になり、出力側スイッチ１６がオフのとき、第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗの他端がそれぞれ開放された状態になる。
【００２３】
［マトリクスコンバータ１の動作モード］
次に、マトリクスコンバータ１の動作モードについて説明する。マトリクスコンバータ１は、以下に示すように、Ａモード、Ｂモード、ＣモードおよびＤモードの４つの動作モードを有する。
【表１】
【００２４】
マトリクスコンバータ１は、動作モード毎に、入力側スイッチ１３および出力側スイッチ１６の状態を変更する。具体的には、制御部２０は、実行すべき動作モードに応じて、入力側スイッチ１３および出力側スイッチ１６を下記表２にしたがってオン／オフ制御を行う。
【表２】
【００２５】
［マトリクスコンバータ１の昇圧動作］
次に、マトリクスコンバータ１による昇圧動作について説明する。昇圧動作は、上記表２に示すようにＢモードおよびＤモードにおいて実行される。ここでは、昇圧動作としてＢモードの動作を挙げて説明する。なお、以下においては、理解を容易にするために、まず、基本的な昇圧動作について説明した後、具体的な昇圧動作を説明する。
【００２６】
Ｂモードでは、制御部２０によって、入力側スイッチ１３がオフに設定され、出力側スイッチ１６が制御部２０によってオンに設定される。したがって、マトリクスコンバータ１は、Ｂモードでは図２に示す回路と等価になる。図２は、Ｂモードにおける回路構成の説明図である。なお、Ｂモードにおいて、入力側スイッチ１３をオフにするのは、不要な短絡電流の発生を防止するためである。
【００２７】
制御部２０は、入力側スイッチ１３および出力側スイッチ１６を設定した後、第１リアクトルＬ１の双方向スイッチＳ側端子を互いに接続する。例えば、制御部２０は、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕをオンにする。これにより、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓの双方向スイッチＳ側端子が双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕを介して互いに接続される。これにより交流電源２のＲ相およびＳ相が、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓを介して短絡され、短絡電流が流れ、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓに磁気エネルギーが蓄積される。なお、ここでは、昇圧動作の間、双方向スイッチＳｔｕは、制御部２０によってオンの状態に固定されるものとする。
【００２８】
次に、制御部２０は、第１リアクトルＬ１に蓄積した磁気エネルギーを電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２へ放出する。例えば、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕをオンにして第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓに磁気エネルギーを蓄積した場合、制御部２０は、双方向スイッチＳｓｕ，Ｓｒｕをオフにし、双方向スイッチＳｓｖ，Ｓｒｗをオンにする。これにより、第１リアクトルＬ１ｓ，Ｌ１ｒのそれぞれに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｖ，Ｃ２ｗへそれぞれ放出される。その結果、Ｖ相とＷ相との間の相間電圧の絶対値はＲ相とＳ相との相間電圧の絶対値よりも大きい値になり、昇圧が行われる。
【００２９】
このように、Ｂモードにおける昇圧動作では、第１リアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーを電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２に蓄積させるため、第１リアクトルＬ１から第２コンデンサＣ２への経路を確立するように双方向スイッチＳが制御される。
【００３０】
Ｄモードの昇圧動作も、Ｂモードと同様な制御によって行われる。具体的には、制御部２０は、第２リアクトルＬ２に蓄積された磁気エネルギーを電気エネルギーとして第１コンデンサＣ１に蓄積させることによって、出力側から入力側への電力変換における昇圧動作を実行する。
【００３１】
ここで、マトリクスコンバータ１の昇圧動作についての理解を容易にするために、図３に示すような制御を考える。図３は、昇圧動作であるＢモードにおける双方向スイッチＳの制御例を示す図である。図３に示す制御では、図示された大小関係をもつＲ相、Ｓ相およびＴ相の３つの入力相の電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔによって、最大の出力相間電圧（以下、最大出力相間電圧Ｖohighと記載する）と中間の出力相間電圧（以下、中間出力相間電圧Ｖomidと記載する）がそれぞれ生成される。
【００３２】
図３に示す区間Ｌは、図４に示すように、区間Ｌａ〜区間Ｌｉの９つの期間に分けることができる。図４は、図３に示す区間Ｌの拡大図である。区間Ｌａ〜区間Ｌｉにおいてオン状態にする双方向スイッチＳと電流経路との関係を下記表３に示す。なお、出力相間電圧Ｖｕｗを最大出力相間電圧Ｖohighとし、出力相間電圧Ｖｖｗを中間出力相間電圧Ｖomidとする。
【表３】
【００３３】
上記表３に示す区間Ｌｃ，Ｌｇにおいては、図５に示すように、Ｓ相からＴ相へ流れる電流は、双方向スイッチＳｓｕおよび第２コンデンサＣ２ｕを通る第１経路と、双方向スイッチＳｓｖおよび第２コンデンサＣ２ｖを通る第２経路とに分かれる。図５は、区間Ｌｃ，Ｌｇにおいて電流が流れる経路を示す図である。
【００３４】
また、上記表３に示す区間Ｌｅにおいても、Ｒ相からＴ相へ流れる電流は、双方向スイッチＳｒｕおよび第２コンデンサＣ２ｕを通る第１経路と、双方向スイッチＳｒｖおよび第２コンデンサＣ２ｖを通る第２経路とに分かれる。
【００３５】
このように第１経路と第２経路に分流する場合、分流を前提としない基本的な昇圧チョッパの動作とはならない。従って、昇圧比を決める基本的な昇圧チョッパの基本式に基づいた昇圧制御を行うことができず、補償処理を行うことになり、制御方法が複雑になる。また、例えば、Ａモードにおける降圧動作においても、３つの入力相によって、最大出力相間電圧Ｖohighと中間出力相間電圧Ｖomidが生成されることから、双方向スイッチＳの制御が複雑になる。
【００３６】
そこで、実施例に係るマトリクスコンバータ１は、ＡモードおよびＢモードにおいて、２つの入力相によって、最大出力相間電圧Ｖohighと中間出力相間電圧Ｖomidを生成する。また、マトリクスコンバータ１は、ＣモードおよびＤモードにおいても同様に、２つの出力相によって、最大の入力相間電圧（以下、最大入力相間電圧Ｖihighと記載する）と中間の入力相間電圧（以下、中間入力相間電圧Ｖimidと記載する）を生成する。これにより、マトリクスコンバータ１では、上述した分流状態が解消され、また、双方向スイッチＳの制御が容易になる。
【００３７】
以下、制御部２０が昇圧動作において実行する双方向スイッチＳの制御について、図面を参照して具体的に説明する。図６および図７は、入力相の電圧と入力区間との関係を示す図であり、図８は、図１に示す制御部２０による双方向スイッチＳの制御の一例を示す図である。なお、ＢモードとＤモードとは入出力の関係が逆である以外は同様の動作であるため、ここでは、Ｂモードにおける動作を例に挙げて説明する。
【００３８】
Ｂモードにおいては、図６に示すように、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相の３つの入力相電圧において絶対値の大小関係が変化しない期間である入力区間Ｅ０〜Ｅ１１に区分けされる。制御部２０は、後述する入力電圧の位相θａから入力区間Ｅ０〜Ｅ１１を求めるテーブルを有する。そして、制御部２０は、入力電圧の位相θａを検出し、かかる入力電圧の位相θａに基づいて入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの状態が入力区間Ｅ０〜Ｅ１１のいずれの入力区間に属する状態かを判定する。
【００３９】
また、図７に示すように、入力電圧の位相θａに所定の位相差θｂを加算した位相に基づき入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’に区分けすることもできる。入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’は、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔに対して位相差θｂを有する電圧Ｖｒ’，Ｖｓ’，Ｖｔ’ において絶対値の大小関係が変化しない期間である。
【００４０】
入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’に区分けすることで、入力力率を調整することができる。例えば、位相差θｂを−９０°とすることによって、入力力率を０にすることができる。この場合、制御部２０は、入力電圧の位相θａから入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’を求めるテーブルを有する。そして、制御部２０は、入力電圧の位相θａを検出し、かかる入力電圧の位相θａに基づいて電圧Ｖｒ’，Ｖｓ’，Ｖｔ’の状態が入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’のいずれの入力区間に属する状態かを判定する。
【００４１】
すなわち、制御部２０は、最大入力相間電圧Ｖihighおよび中間入力相間電圧Ｖimidを、入力電圧の位相θａに、所定の位相差θｂを加算した位相に基づき選択することができる。また、制御部２０は、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔ間の大小関係および中間の相電圧の正負を、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの位相θａに、所定の位相差θｂを加算した位相に基づき判定することができる。
【００４２】
このように、制御部２０は、入力電圧の位相θａに基づいて、入力区間Ｅ０〜Ｅ１１または入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’のいずれの入力区間に属する状態かを判定する。なお、以下においては、制御部２０が入力区間を入力区間Ｅ０〜Ｅ１１から判定するものとして説明するが、制御部２０が入力区間を入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’から判定する場合も同様の制御である。
【００４３】
制御部２０は、入力区間を判定した後、最大出力相間電圧Ｖohighにする相に対しては、最大入力相間電圧Ｖihighが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。例えば、入力区間が図６に示す入力区間Ｅ１であり、Ｕ相とＷ相との間の相間電圧を最大出力相間電圧Ｖohighとする場合を考える。入力区間Ｅ１では、最大入力相間電圧Ｖihighが入力される相はＲ相およびＴ相である。したがって、制御部２０は、図８に示すように、Ｕ相とＲ相との接続を行う双方向スイッチＳｒｕをオンにし、Ｗ相とＴ相との接続を行う双方向スイッチＳｔｗをオンにする。
【００４４】
また、制御部２０は、中間出力相間電圧Ｖomidにする相に対しては、中間入力相間電圧Ｖimidが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。例えば、入力区間が図６に示す入力区間Ｅ１であり、Ｖ相とＷ相との間の相間電圧を中間出力相間電圧Ｖomidとする場合を考える。入力区間Ｅ１では、中間入力相間電圧Ｖimidが入力される相はＳ相およびＴ相である。したがって、制御部２０は、図８に示すように、Ｖ相とＳ相との接続を行う双方向スイッチＳｓｖをオンにし、Ｗ相とＴ相との接続を行う双方向スイッチＳｔｗをオンにする。
【００４５】
図９は、図８に示す区間Ｔ１１の拡大図である。図９に示すように、図８に示すパルスの１周期は、区間ａ〜区間ｅの５つの期間に分けることができる。図８に示す例では、Ｔ１＞Ｔ２の場合を示している。入力と出力との関係によっては、Ｔ１＜Ｔ２となる場合もあるが、最大出力相間電圧Ｖohighおよび中間出力相間電圧Ｖomidを出力する期間が異なるだけであり、説明を分かり易くするために、以下においては、Ｔ１＞Ｔ２である場合について説明する。
【００４６】
区間ａ〜区間ｅにおいてオンにする双方向スイッチＳと電流経路との関係を表４に示す。なお、出力相間電圧Ｖｕｗを最大出力相間電圧Ｖohighとし、出力相間電圧Ｖｖｗを中間出力相間電圧Ｖomidとする。
【表４】
【００４７】
上記表４に示すように、区間ａ〜ｅのいずれも分流することなく、第１リアクトルＬ１に対応する第２コンデンサＣ２に電流が流れる。具体的には、区間ａ，ｅにおいて第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓにおいて磁気エネルギーを蓄積した後、区間ｂ，ｄにおいて第１リアクトルＬ１ｒから第２コンデンサＣ２ｕへ磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出される。また、区間ｃにおいて第１リアクトルＬ１ｒから第２コンデンサＣ２ｕへ磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出され、かつ第１リアクトルＬ１ｓから第２コンデンサＣ２ｖへ磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出される。
【００４８】
また、マトリクスコンバータ１のスイッチ制御は、図９に示す区間ａ〜ｅでのスイッチ制御であるため、パルス１周期に行う双方向スイッチＳの制御回数を、図４に示す区間Ｌａ〜Ｌｉでのスイッチ制御に比べて大幅に低減することができる。そのため、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことが可能になる。
【００４９】
このように、実施例に係るマトリクスコンバータ１は、昇圧動作であるＢモードにおいて、２つの入力相によって、最大出力相間電圧Ｖohighと中間出力相間電圧Ｖomidを生成するため、上述した分流状態を解消し、また、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことができる。また、昇圧動作であるＤモードの場合も同様に、マトリクスコンバータ１は、２つの出力相によって、最大入力相間電圧Ｖihighと中間入力相間電圧Ｖimidを生成するため、上述した分流状態を解消し、また、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことができる。
【００５０】
［制御部２０の構成］
以下、マトリクスコンバータ１の制御部２０の構成について具体的に説明する。図１０は、図１に示す制御部２０の構成を示す図である。図１０に示すように、制御部２０は、入力電圧検出部２１と、出力電圧検出部２２と、電圧指令生成部２３と、昇圧降圧切替部２４と、ＰＷＭ信号発生部２５とを備える。
【００５１】
入力電圧検出部２１は、入力側の電圧を検出する。具体的には、入力電圧検出部２１は、交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と第１リアクトルＬ１との間の接続点を監視して、交流電源２の相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒ（以下、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒと記載する）の値を検出する。入力相間電圧ＶｒｓはＲ相とＳ相との間の電圧、入力相間電圧ＶｓｔはＳ相とＴ相との間の電圧、入力相間電圧ＶｔｒはＴ相とＲ相との間の電圧である。さらに、入力電圧検出部２１は、入力電圧の位相θａを検出する。
【００５２】
出力電圧検出部２２は、出力側の電圧を検出する。具体的には、出力電圧検出部２２は、負荷３側のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相と第２リアクトルＬ２との間の接続点を監視して、交流電源２の相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ（以下、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕと記載する）の値を検出する。出力相間電圧ＶｕｖはＵ相とＶ相との間の電圧、出力相間電圧ＶｖｗはＶ相とＷ相との間の電圧、出力相間電圧ＶｗｕはＷ相とＵ相との間の電圧である。さらに、出力電圧検出部２２は、出力電圧の位相θｃを検出する。
【００５３】
電圧指令生成部２３は、設定器４（図１参照）によって設定された電力変換方向情報Ｋｄに基づき、電力変換方向を決定する。具体的には、電圧指令生成部２３は、電力変換方向情報Ｋｄに基づき、交流電源２側の電圧を基準に負荷３側への電圧を生成して行う電力変換（以下、出力方向電力変換と記載する）か、負荷３側の電圧を基準に交流電源２側への電圧を生成して行う電力変換（以下、入力方向電力変換と記載する）かを決定する。
【００５４】
また、電圧指令生成部２３は、電圧設定値Ｋｖ、周波数設定値Ｋｆおよび電力変換方向情報Ｋｄに応じた電圧指令を生成し、ＰＷＭ信号発生部２５と昇圧降圧切替部２４へ出力する。電圧設定値Ｋｖおよび周波数設定値Ｋｆは、設定器４によって電圧指令生成部２３に設定される情報である。
【００５５】
例えば、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示す情報である場合、電圧指令生成部２３は、電圧設定値Ｋｖおよび周波数設定値Ｋｆに応じた出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を生成する。すなわち、電圧指令生成部２３は、出力側の電圧を、電圧設定値Ｋｖに応じた電圧および周波数設定値Ｋｆに応じた周波数にする出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を生成する。
【００５６】
一方、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換を示す情報である場合、電圧指令生成部２３は、電圧設定値Ｋｖおよび周波数設定値Ｋｆに応じた入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*を生成する。すなわち、電圧指令生成部２３は、入力側の電圧を、電圧設定値Ｋｖに応じた電圧および周波数設定値Ｋｆに応じた周波数にする入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*を生成する。
【００５７】
昇圧降圧切替部２４は、Ａモード、Ｂモード、ＣモードおよびＤモードの４つの動作モード（上記表１参照）のうちいずれかの動作モードを選択し、選択した動作モードの情報ＩＭを示す情報をＰＷＭ信号発生部２５へ通知する。
【００５８】
昇圧降圧切替部２４による動作モードの選択は、電力変換方向情報Ｋｄ、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値、および出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの値に基づいて行われる。昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄを電圧指令生成部２３から取得し、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値を入力電圧検出部２１から取得し、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの値を出力電圧検出部２２から取得する。
【００５９】
昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換である場合、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値に基づいて、入力電圧値Ｖａを検出する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち絶対値が最大値となる入力相間電圧の絶対値を入力電圧値Ｖａとする。
【００６０】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換である場合、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*により出力相間電圧指令Ｖｕｖ＊、Ｖｖｗ＊、Ｖｗｕ＊をそれぞれ演算する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、出力相間電圧指令Ｖｕｖ＊をＶｕ＊−Ｖｖ＊によって求め、出力相間電圧指令Ｖｖｗ＊をＶｖ＊−Ｖｗ＊によって求め、出力相間電圧指令Ｖｗｕ＊をＶｗ＊−Ｖｕ＊によって求める。そして、昇圧降圧切替部２４は、これらの出力相間電圧指令Ｖｕｖ＊、Ｖｖｗ＊、Ｖｗｕ＊のうち絶対値が最大値となる出力相間電圧指令の絶対値を出力電圧指令値Ｖｂ＊とする。
【００６１】
昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示し、かつ、入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃが出力電圧指令値Ｖｂ＊以上である場合、Ａモードを選択する。なお、「入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃ」は、降圧動作によって電圧設定値Ｋｖに応じた電圧を出力相の電圧にすることができるか否かを判定する値である。例えば、入力電圧値Ｖａに対して、降圧動作によって生成できる出力電圧の最大値がＶａ×ｋ１である場合、「入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃ」は、昇圧降圧切替部２４において、Ｖａ×ｋ１に設定される。
【００６２】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示し、かつ、入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃが出力電圧指令値Ｖｂ＊未満である場合、Ｂモードを選択する。
【００６３】
一方、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換である場合、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕに基づいて、出力電圧値Ｖｂを検出する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち絶対値が最大値となる出力相間電圧の値を出力電圧値Ｖｂとする。
【００６４】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換である場合、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*により入力相間電圧指令Ｖｒｓ＊、Ｖｓｔ＊、Ｖｔｒ＊をそれぞれ演算する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、入力相間電圧指令Ｖｒｓ＊をＶｒ＊−Ｖｓ＊によって求め、入力相間電圧指令Ｖｓｔ＊をＶｓ＊−Ｖｔ＊によって求め、入力相間電圧指令Ｖｔｒ＊をＶｔ＊−Ｖｒ＊によって求める。そして、昇圧降圧切替部２４は、これらの入力相間電圧指令Ｖｒｓ＊、Ｖｓｔ＊、Ｖｔｒ＊のうち絶対値が最大値となる入力相間電圧指令の絶対値を入力電圧指令値Ｖａ＊とする。
【００６５】
昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換を示し、かつ、出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄが入力電圧指令値Ｖａ＊以上である場合、Ｃモードを選択する。なお、「出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄ」は、降圧動作によって電圧設定値Ｋｖに応じた電圧を入力相の電圧にすることができるか否かを判定する値である。例えば、出力電圧値Ｖｂに対して、降圧動作によって生成できる入力電圧の最大値がＶｂ×ｋ２である場合、昇圧降圧切替部２４において、「出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄ」は、Ｖｂ×ｋ２に設定される。
【００６６】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換を示し、かつ、出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄが入力電圧指令値Ｖａ＊未満である場合、Ｄモードを選択する。
【００６７】
このように、昇圧降圧切替部２４は、入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃと出力電圧指令値Ｖｂ*との大小関係、および、出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄと入力電圧指令値Ｖａ*との大小関係を判定する。そして、かかる判定結果と電力変換方向情報Ｋｄに基づいて、昇圧降圧切替部２４は、Ａモード、Ｂモード、ＣモードおよびＤモードのうちいずれかの動作モードを決定する。
【００６８】
ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードに応じて、入力側スイッチ１３と出力側スイッチ１６を上記表２の規定に従ってオン／オフ制御する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、昇圧降圧切替部２４によって選択された動作モードを示す情報を昇圧降圧切替部２４から取得し、かかる動作モードに応じたＰＷＭ信号を生成する。そして、生成したＰＷＭ信号を電力変換部１０へ出力する。
【００６９】
例えば、動作モードの情報がＡモードまたはＢモードを示す場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値および入力電圧の位相θａを入力電圧検出部２１から取得する。そして、取得した情報に基づき、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相の状態が入力区間Ｅ０〜Ｅ１１のうちどの入力区間に属する状態かを判定する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、後述するように、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*の値に基づいて、後述する出力区間Ｆ０〜Ｆ５（図１３参照）のうちどの出力区間に属する状態かを判定する。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、後述するように、判定した入力区間および出力区間に基づき、双方向スイッチＳをオン／オフするＰＷＭ信号を生成する。
【００７０】
一方、動作モードの情報がＣモードまたはＤモードを示す場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの値および出力電圧の位相θｃを出力電圧検出部２２から取得する。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを、それぞれ入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒに読み替え、出力相の状態が図７に示す入力区間Ｅ０〜Ｅ１１のうちどの入力区間に属する状態かを判定する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*を、それぞれ出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に読み替え、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*の状態が図１３に示す出力区間Ｆ０〜Ｆ５のうちどの出力区間に属する状態かを判定する。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、後述するように、判定した出力区間および入力区間に基づき、双方向スイッチＳをオン／オフするＰＷＭ信号を生成する。
【００７１】
ところで、ＰＷＭ信号発生部２５は、変調波と搬送波を生成し、これらを比較することにより、電力変換部１０の双方向スイッチＳをオン／オフするＰＷＭ信号を生成する。図１１および図１２は、図１０に示すＰＷＭ信号発生部２５によるＰＷＭ信号の生成方法の説明図である。
【００７２】
ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードの情報がＡモードまたはＢモードを示す場合、図１１に示すように、搬送波ＣＷ１と最大出力相間電圧Ｖohigh用の変調波ＭＷ１とを比較することによって、最大出力相間電圧Ｖohigh用のＰＷＭ信号ＳＰ１を生成する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、搬送波ＣＷ２と中間出力相間電圧Ｖomid用の変調波ＭＷ２とを比較することによって、中間出力相間電圧Ｖomid用のＰＷＭ信号ＳＰ２を生成する。
【００７３】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードの情報がＣモードまたはＤモードを示す場合、図１２に示すように、搬送波ＣＷ３と最大入力相間電圧Ｖihigh用の変調波ＭＷ３とを比較することによって、最大入力相間電圧Ｖihigh用のＰＷＭ信号ＳＰ３を生成する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、搬送波ＣＷ４と中間入力相間電圧Ｖimid用の変調波ＭＷ４とを比較することによって、中間入力相間電圧Ｖimid用のＰＷＭ信号ＳＰ４を生成する。
【００７４】
ＰＷＭ信号発生部２５は、搬送波ＣＷ１〜ＣＷ４、および変調波ＭＷ１〜ＭＷ４の振幅を表５に従って生成する。
【表５】
【００７５】
動作モードがＡモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、入力電圧検出値Ｖｉｎ１に基づいて搬送波ＣＷ１の振幅を調整し、さらに、入力電圧検出値Ｖｉｎ２に基づいて搬送波ＣＷ２の振幅を調整する。入力電圧検出値Ｖｉｎ１は、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち絶対値が最大値となる入力相間電圧の絶対値であり、入力電圧検出値Ｖｉｎ２は、絶対値が２番目に大きな値となる入力相間電圧の絶対値である。
【００７６】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、上述した昇圧降圧切替部２４と同様に、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*から、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*のうち絶対値が最も大きな出力相間電圧指令の絶対値を最大出力相間電圧指令Ｖohigh*とし、絶対値が２番目に大きな出力相間電圧指令の絶対値を中間出力相間電圧指令Ｖomid*とする。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、最大出力相間電圧指令Ｖohigh*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ１の大きさを調整し、中間出力相間電圧指令Ｖomid*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ２の大きさを調整する。
【００７７】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＡモードである場合、入力側スイッチ１３をオンにし、出力側スイッチ１６をオフにする。これにより、交流電源２と電力変換部１０との間に、第１リアクトルＬ１および第１コンデンサＣ１によるフィルタ回路が形成される。
【００７８】
Ａモードでは、降圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。すなわち、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号によって、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが下記式（１），（２）に示すような関係になるように双方向スイッチＳが制御される。
（Ｔｏｎ１＋Ｔｏｆｆ１）／Ｔｏｎ１＝Ｖｉｎ１／Ｖohigh* ・・・（１）
（Ｔｏｎ２＋Ｔｏｆｆ２）／Ｔｏｎ２＝Ｖｉｎ２／Ｖomid* ・・・（２）
Ｔｏｎ１：最大出力相間電圧Ｖohighを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ１：最大出力相間電圧Ｖohighを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
Ｔｏｎ２：中間出力相間電圧Ｖomidを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ２：中間出力相間電圧Ｖomidを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
【００７９】
動作モードがＢモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*から、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*のうち絶対値が最も大きな出力相間電圧指令の絶対値を出力相間電圧指令Ｖｏ*１とし、絶対値が２番目に大きな出力相間電圧指令の絶対値を出力相間電圧指令Ｖｏ２＊とする。ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、かかる出力相間電圧指令Ｖｏ１*および出力相間電圧指令Ｖｏ２＊に基づき、それぞれ搬送波ＣＷ１および搬送波ＣＷ２の振幅を調整する。
【００８０】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、最大入力相間電圧Ｖihighの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ１の大きさを調整し、中間入力相間電圧Ｖimidの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ２の大きさを調整する。例えば、入力相の状態が図６に示す区間Ｅ０に属する状態である場合、最大入力相間電圧Ｖihighは入力相間電圧Ｖｒｔの絶対値であり、中間入力相間電圧Ｖimidは入力相間電圧Ｖｒｓの絶対値である。したがって、この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧Ｖｒｔの絶対値の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ１の大きさを調整し、入力相間電圧Ｖｒｓの絶対値の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ２の大きさを調整する。
【００８１】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＢモードである場合、入力側スイッチ１３をオフにし、出力側スイッチ１６をオンにする。これにより、第１リアクトルＬ１、双方向スイッチＳおよび第２コンデンサＣ２による昇圧回路が構成される。
【００８２】
Ｂモードでは、昇圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。すなわち、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号によって、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが下記式（３），（４）に示すような関係になるように双方向スイッチＳが制御される。
Ｔｏｆｆ３／（Ｔｏｎ３＋Ｔｏｆｆ３）＝Ｖihigh／Ｖo１* ・・・（３）
Ｔｏｆｆ４／（Ｔｏｎ４＋Ｔｏｆｆ４）＝Ｖimid／Ｖo２* ・・・（４）
Ｔｏｎ３：最大入力相間電圧Ｖihighを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ３：最大入力相間電圧Ｖihighを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
Ｔｏｎ４：中間入力相間電圧Ｖimidを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ４：中間入力相間電圧Ｖimidを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
【００８３】
動作モードがＣモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、出力電圧検出値Ｖｏ１および出力電圧検出値Ｖｏ２に基づいて、それぞれ搬送波ＣＷ３および搬送波ＣＷ４の振幅を調整する。出力電圧検出値Ｖｏ１は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち絶対値が最大値となる出力相間電圧の絶対値であり、出力電圧検出値Ｖｏ２は、絶対値が２番目に大きい出力相間電圧の絶対値である。
【００８４】
ＰＷＭ信号発生部２５は、上述した昇圧降圧切替部２４と同様に、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*から、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*のうち絶対値が最も大きな入力相間電圧指令を最大入力相間電圧指令Ｖihigh*とし、絶対値が２番目に大きな入力相間電圧指令を中間入力相間電圧指令Ｖimid*とする。そして、最大入力相間電圧指令Ｖihigh*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ３の大きさを調整し、中間入力相間電圧指令Ｖimid*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ４の大きさを調整する。
【００８５】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＣモードである場合、入力側スイッチ１３をオフにし、出力側スイッチ１６をオンにする。これにより、電力変換部１０と負荷３の間に、第２リアクトルＬ２および第２コンデンサＣ２によるフィルタ回路が形成される。なお、Ｃモードでは、Ａモードと同様に、降圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。
【００８６】
動作モードがＤモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*から、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*のうち絶対値が最も大きな入力相間電圧指令の絶対値を最大の入力相間電圧指令Ｖｉ１*とし、絶対値が２番目に大きな入力相間電圧指令の絶対値を入力相間電圧指令Ｖｉ２*とする。ＰＷＭ信号発生部２５は、かかる入力相間電圧指令Ｖｉ１*および入力相間電圧指令Ｖｉ２*に基づき、それぞれ搬送波ＣＷ３および搬送波ＣＷ４の振幅を調整する。
【００８７】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、最大出力相間電圧Ｖohighの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ３の大きさを調整し、中間出力相間電圧Ｖomidの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ４の大きさを調整する。例えば、最大出力相間電圧Ｖohighは出力相間電圧Ｖｕｗであり、中間出力相間電圧Ｖomidは出力相間電圧Ｖｕｖであるとする。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧Ｖｕｗの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ３の大きさを調整し、出力相間電圧Ｖｕｖの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ４の大きさを調整する。
【００８８】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＤモードである場合、入力側スイッチ１３をオンにし、出力側スイッチ１６をオフにする。これにより、第２リアクトルＬ２、双方向スイッチＳおよび第１コンデンサＣ１による昇圧回路が構成される。なお、Ｄモードでは、Ｂモードと同様に、昇圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。
【００８９】
ここで、相間電圧指令について、図１３を参照して具体的に説明する。なお、以下においては、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示す場合の例を説明する。すなわち、ＡモードまたはＢモードの動作の場合を例に挙げて説明する。図１３は、出力相間電圧指令の説明図である。
【００９０】
図１３に示すように、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*の値により、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕをこれらの絶対値の大小関係が変化しない期間を区分して、出力区間Ｆ０〜出力区間Ｆ５までの区間に分ける。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの値および出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に基づいて、図１３に示す出力相間電圧指令Ａ，Ｂを生成する。
【００９１】
出力相間電圧指令Ａは、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔのうち電圧値が中間の入力相電圧（以下、中間入力相電圧Ｖｉｍとする）が正電圧の場合に選択される出力相間電圧指令である。例えば、図１３に示す出力区間Ｆ０では、中間入力相電圧Ｖｉｍが正電圧である場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ａとして、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*および出力相間電圧指令Ｖｖｗ*を生成する。
【００９２】
一方、出力相間電圧指令Ｂは、中間入力相電圧Ｖｉｍが負電圧の場合に選択される出力相間電圧指令である。例えば、図１３に示す出力区間Ｆ０では、中間入力相電圧Ｖｉｍが負電圧である場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｂとして、出力相間電圧指令Ｖｖｕ*および出力相間電圧指令Ｖｗｕ*を生成する。
【００９３】
ここで、図１３に示す出力区間Ｆ０におけるＰＷＭ信号の生成について、Ｂモードの動作を例に挙げて具体的に説明する。出力区間Ｆ０における出力相間電圧指令と入力区間Ｅ０〜Ｅ１１との関係を表６に示す。ＰＷＭ信号発生部２５は、出力区間Ｆ０において、表６にしたがって双方向スイッチＳのオン／オフ制御を行う。例えば、ＰＷＭ信号発生部２５は、表６に示すテーブルの情報を記憶し、かかる情報に基づいて、双方向スイッチＳのオン／オフ制御を行う。
【表６】
【００９４】
例えば、出力区間Ｆ０において、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが入力区間Ｅ０に属する状態にある場合、上記表６に示すように、中間入力相電圧ＶｉｍであるＳ相電圧Ｖｓが負電圧である。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｂを選択し、最大出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｗｕ*を、中間出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｖｕ*をそれぞれ生成する。これにより、最大出力相間電圧Ｖohighとする相間がＷ相とＵ相との間になり、中間出力相間電圧Ｖomidとする相間がＶ相とＵ相との間になる。
【００９５】
また、入力区間Ｅ０において、最大入力相間電圧Ｖihighは入力相間電圧Ｖｒｔであり、中間入力相間電圧Ｖimidは入力相間電圧Ｖｒｓである。したがって、出力区間Ｆ０で、かつ入力区間Ｅ０の場合に、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳの接続制御処理（以下、スイッチ制御処理と記載する）を次のように行う。
【００９６】
まず、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ａにおいて、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕをオンにして、第１リアクトルＬ１ｓ，Ｌ１ｔに磁気エネルギーを蓄積する。なお、双方向スイッチＳｒｕは、図９に示す全区間ａ〜ｅにおいてオン状態に維持される。
【００９７】
次に、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｂ〜ｄにおいて、最大出力相間電圧ＶohighにするＵ相およびＷ相に対して、最大入力相間電圧Ｖihighが入力されるＲ相およびＴ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｔｕをオフにし、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｔｗをオンにする。双方向スイッチＳｒｕはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｔｗをオンにして、Ｔ相とＷ相を接続する。双方向スイッチＳｔｗは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ１によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｔに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｗに放出され、その結果、Ｔ相の電圧が昇圧されてＷ相へ出力される。
【００９８】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｃにおいて、中間出力相間電圧ＶomidにするＵ相およびＶ相に対して、中間入力相間電圧Ｖimidが入力されるＲ相およびＳ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｓｕをオフにし、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｖをオンにする。双方向スイッチＳｒｕはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｓｖをオンにしてＳ相とＶ相を接続する。双方向スイッチＳｓｖは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ２によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｓに蓄積されたエネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｖに放出され、結果として、Ｓ相の電圧が昇圧されてＶ相へ出力される。
【００９９】
また、出力区間Ｆ０において、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが入力区間Ｅ１にある場合、中間入力相電圧ＶｉｍであるＳ相電圧Ｖｓが正電圧である。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ａを選択し、最大出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｕｗ*を、中間出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｖｗ*をそれぞれ生成する。これにより、最大出力相間電圧Ｖohighとする相間がＵ相とＷ相との間になり、中間出力相間電圧Ｖomidとする相間がＶ相とＷ相との間になる。
【０１００】
また、入力区間Ｅ１において、最大入力相間電圧Ｖihighは入力相間電圧Ｖｒｔであり、中間入力相間電圧Ｖimidは入力相間電圧Ｖｓｔである。したがって、出力区間Ｆ０で、かつ入力区間Ｅ１の場合に、ＰＷＭ信号発生部２５はスイッチ制御処理を次のように行う。
【０１０１】
まず、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ａにおいて、双方向スイッチＳｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗをオンにして、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓに磁気エネルギーを蓄積する。なお、双方向スイッチＳｔｗは、図９に示す全区間ａ〜ｅにおいてオン状態に維持される。
【０１０２】
次に、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｂ〜ｄにおいて、最大出力相間電圧ＶohighにするＵ相およびＷ相に対して、最大入力相間電圧Ｖihighが入力されるＲ相およびＴ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｒｗをオフにし、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｔｗをオンにする。双方向スイッチＳｔｗはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｒｕをオンにして、Ｒ相とＵ相を接続する。双方向スイッチＳｒｕは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ１によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｒに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｕに放出され、結果として、Ｒ相の電圧が昇圧されてＵ相へ出力される。
【０１０３】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｃにおいて、中間出力相間電圧ＶomidにするＶ相およびＷ相に対して、中間入力相間電圧Ｖimidが入力されるＳ相およびＴ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｓｗをオフにし、双方向スイッチＳｓｖ，Ｓｔｗをオンにする。双方向スイッチＳｔｗはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｒｖをオンにしてＲ相とＶ相を接続する。双方向スイッチＳｒｖは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ２によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｒに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｖに放出され、結果として、Ｓ相の電圧が昇圧されてＶ相へ出力される。
【０１０４】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間Ｅ２〜Ｅ１１においても同様に、第１リアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーを電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２に放出して、入力相の電圧を昇圧して出力相へ出力する。
【０１０５】
このように、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相電圧間の大小関係および中間の入力相電圧の正負に応じてスイッチ制御処理の変更を行う。これにより、ＰＷＭ信号発生部２５は、最大出力相間電圧Ｖohighとする相間に対して最大入力相間電圧Ｖihighが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにし、中間出力相間電圧Ｖomidとする相間に対して中間入力相間電圧Ｖimidが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにすることができる。
【０１０６】
さらに、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間や出力区間が切り替わる場合において、切り替え前後におけるスイッチ制御処理の変更を次のように行うことにより、昇圧動作を精度よく行う。なお、以下においては、Ｂモードにおける昇圧動作を例に、まず、入力区間の切り替わりについて具体的に説明した後、出力区間の切り替わりについて具体的に説明する。
【０１０７】
（入力区間の切り替わり）
ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間が切り替わる場合には、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。
【０１０８】
例えば、入力区間Ｅ０から入力区間Ｅ１への入力区間の切り替わりを考える。表７は、入力区間Ｅ０，Ｅ１において、出力電圧指令が出力区間Ｆ０にあるとき、オンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表したものである。なお、表７の各枠において、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ０においてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ１においてオンにする双方向スイッチＳである。
【表７】
【０１０９】
上記表７に示すように、入力区間Ｅ０と入力区間Ｅ１とで、区間ｃの双方向スイッチＳの状態が全て同一である。なお、表７において斜線が記載されている枠は、双方向スイッチＳの状態が入力区間Ｅ０と入力区間Ｅ１とで同一であることを示す。
【０１１０】
したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、切り替え前の入力区間Ｅ０における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後の入力区間Ｅ１における双方向スイッチＳの接続状態と一致する区間ｃから行う。かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表８に示すようなテーブルを用いる。
【表８】
【０１１１】
このように、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間が切り替わる場合には、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。かかる処理によって、マトリクスコンバータ１は、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１２】
さらに、例えば、出力電圧指令が出力区間Ｆ０にあるとき、入力区間Ｅ１から入力区間Ｅ２への入力区間の切り替わりを考える。表９は、入力区間Ｅ１，Ｅ２においてオンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表したものである。なお、表９の各枠において、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ１においてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ２においてオンにする双方向スイッチＳである。
【表９】
【０１１３】
上記表９に示すように、入力区間Ｅ１と入力区間Ｅ２とで、区間ａ，ｅの双方向スイッチＳの状態が全て同一である。したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳの接続状態を負荷３側へ電圧を出力しない状態から電圧を出力する状態に変更するときに行う。負荷３側へ電圧を出力しない状態は、第１リアクトルＬ１に蓄積したエネルギーを放出する区間であり、かかる区間へ移行するタイミングで入力区間に応じた双方向スイッチＳの切り替えを行うことで、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１４】
例えば、入力区間Ｅ１から入力区間Ｅ２への入力区間の切り替わりの場合、入力区間Ｅ１の区間ａから入力区間Ｅ２の区間ｂへ移行するタイミングで、入力区間Ｅ１に対するスイッチ制御処理から入力区間Ｅ２に対するスイッチ制御処理への変更を行う。かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１０に示すようなテーブルを用いる。
【表１０】
【０１１５】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳの接続状態を負荷３側へ電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに行うこともできる。負荷３側へ電圧を出力しない状態は、第１リアクトルＬ１に磁気エネルギーを蓄積する区間であり、かかる区間へ移行するタイミングで入力区間に応じた双方向スイッチＳの切り替えを行うことで、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１６】
例えば、出力電圧指令が出力区間Ｆ０にあるとき、入力区間Ｅ１から入力区間Ｅ２への入力区間の切り替わりの場合、入力区間Ｅ１の区間ｄから入力区間Ｅ２の区間ｅへ移行するタイミングで、入力区間Ｅ１に対するスイッチ制御処理から入力区間Ｅ２に対するスイッチ制御処理への変更を行う。かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１１に示すようなテーブルを用いる。
【表１１】
【０１１７】
以上のように、マトリクスコンバータ１のＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間が切り替わる場合、区間ａ〜区間ｅのうち昇圧動作への影響が少ない区間を選択して入力区間に対応する双方向スイッチＳの状態への切り替えを行う。このためにＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間切替用として、入力区間の切り替わり１２通りのそれぞれに対して、出力電圧指令の区間である出力区間Ｆ０〜Ｆ５の６通りについて、合計７２個のテーブルを有する。これにより、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１８】
（出力区間の切り替わり）
また、上述においては、入力区間が切り替わる場合の例を説明したが、出力区間が切り替わる場合も、同様に、区間ａ〜区間ｅのうち昇圧動作への影響が少ない区間を選択してスイッチ制御処理の変更を行う。
【０１１９】
ここで、出力区間Ｆ１における出力電圧指令と入力区間Ｅ０，Ｅ１の関係を表１２に示す。
【表１２】
【０１２０】
ＰＷＭ信号発生部２５は、出力区間を切り替える場合には、切り替え前の出力区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後の出力区間における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。
【０１２１】
例えば、入力区間Ｅ１において、出力区間Ｆ０から出力区間Ｆ１への出力区間の切り替わりを考える。この場合、各出力区間Ｆ０，Ｆ１においてオンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表１３に示す。なお、表１３の各枠では、上記表７と同様に、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳが出力区間Ｆ０においてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳが出力区間Ｆ１においてオンにする双方向スイッチＳである。
【表１３】
【０１２２】
入力区間Ｅ１において、出力区間Ｆ０から出力区間Ｆ１への切り替わりの場合、上記表１３に示すように、出力区間Ｆ０と出力区間Ｆ１とで、区間ａ，ｅの双方向スイッチＳの状態が全て同一である。なお、表１３において斜線が記載されている枠は、双方向スイッチＳの状態が出力区間Ｆ０と出力区間Ｆ１とで同一であることを示す。
【０１２３】
したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間Ｅ１において、出力区間Ｆ０から出力区間Ｆ１への出力区間の切り替えを行う場合、切り替え前の出力区間Ｆ０における区間ａから切り替え後の出力区間Ｆ１における区間ｂへ移行する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、切り替え前の出力区間Ｆ０における区間ｄから切り替え後の出力区間Ｆ１における区間ｅへ移行することもできる。なお、ＰＷＭ信号発生部２５は、かかる制御を行うために、上述の場合と同様に、出力区間切替用として、出力区間の切り替わり６通りのそれぞれに対して、入力電圧の区間である入力区間Ｅ０〜Ｅ１１の１２通りについて、合計７２個のテーブルを有している。
【０１２４】
なお、出力区間の切り替わりの場合も、入力区間の切り替わりの場合と同様に、出力区間によっては、切り替わりの前後で、電圧を出力する状態での双方向スイッチＳの接続状態と一致する出力区間もある。このような出力区間では、ＰＷＭ信号発生部２５は、負荷３側へ電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに出力区間の切り替えを行う。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、負荷３側へ電圧を出力しない状態から電圧を出力する状態へ変更する際に出力区間の切り替えを行うこともある。
【０１２５】
（降圧動作および昇圧動作間の切り替わり）
上述においては、Ｂモードにおいて、入力区間や出力区間が切り替わる場合において、スイッチ制御処理の変更を所定のタイミングで行うことについて説明したが、降圧動作から昇圧動作へ移行する際も、スイッチ制御処理の変更を所定のタイミングで行うことができる。以下、この点について具体的に説明する。
【０１２６】
ここでは、一例として、入力区間Ｅ１でかつ出力区間Ｆ０である場合に、ＡモードからＢモードへ切り替えるスイッチ制御処理について説明する。表１４は、出力区間Ｆ０における出力電圧指令と入力区間Ｅ０，Ｅ１との関係を示す。
【表１４】
【０１２７】
ＰＷＭ信号発生部２５は、降圧動作から昇圧動作へ切り替える場合には、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後の区間における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。
【０１２８】
例えば、入力区間Ｅ０でかつ出力区間Ｆ０にある場合に、ＡモードおよびＢモードにおいてオンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表１５に示す。なお、表１５の各枠では、上記表７と同様に、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳがＡモードにおいてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳがＢモードにおいてオンにする双方向スイッチＳである。
【表１５】
【０１２９】
入力区間Ｅ０でかつ出力区間Ｆ０にある状態で、ＡモードからＢモードへ切り替わる場合、上記表１５に示すように、ＡモードとＢモードとで、区間ｃの双方向スイッチＳの状態が全く同一である。なお、表１５において斜線が記載されている枠は、双方向スイッチＳの状態がＡモードとＢモードとで同一であることを示す。
【０１３０】
したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＡモードからＢモードへ切り替える場合には、切り替え前のＡモードにおける双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後のＢモードにおける双方向スイッチＳの接続状態と一致する区間ｃから行う。
【０１３１】
かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１６に示すようなテーブルを用いる。なお、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＡモードからＢモードへの切り替えを、上記表２に従って、区間ｃの開始時から区間ｄの開始時までの間に行う。
【表１６】
【０１３２】
かかる制御は、例えば、入力区間Ｅ０でかつ出力区間Ｆ０にある状態で、ＢモードからＡモードへ切り替わる場合も同様である。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１７に示すようなテーブルを用いる。なお、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＢモードからＡモードの切り替えを、下記表１７に従って、区間ｃの開始時から区間ｄの開始時までの間に行う。
【表１７】
【０１３３】
このように、ＰＷＭ信号発生部２５は、降圧動作から昇圧動作へ切り替わる場合およびその逆の場合に、テーブルに従い、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。ＰＷＭ信号発生部２５は、このような昇圧動作と降圧動作の必要なテーブルを、入力区間Ｅ０〜Ｅ１１の１２通りと出力区間Ｆ０〜Ｆ５の６通りにより決まる７２通りの場合について、各々昇圧→降圧切替用と降圧→昇圧切替用との２つずつ、合計１４４個有している。かかる処理によって、マトリクスコンバータ１は、降圧動作から昇圧動作への移行を迅速に行うことができる。
【０１３４】
また、上述においては、Ｂモードに関するスイッチ制御処理について説明したが、ＰＷＭ信号発生部２５は、Ｄモードに関するスイッチ制御処理も同様に行う。これにより、Ｄモードにおいて、昇圧動作を精度よく行うことができる。また、ＣモードからＤモードへの移行やそのＤモードからＣモードへの移行を迅速に行うことができる。
【０１３５】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＡモードやＣモードに関するスイッチ制御処理についても、ＢモードやＤモードに関するスイッチ制御処理と同様に行う。これにより、各モードでのスイッチ制御処理を同様に行うことができることから、スイッチ制御処理が全体として複雑になることを回避することができる。
【０１３６】
以上のように、実施例に係るマトリクスコンバータ１の制御部２０は、出力相間電圧のうち最大の相間電圧にする相に対しては、入力相間電圧のうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。また、制御部２０は、出力相間電圧のうち中間の相間電圧にする相に対しては、入力相間電圧のうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。これにより、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことができる。
【０１３７】
また、制御部２０は、出力方向電力変換の場合、入力側の相電圧間の大小関係および入力側の中間の相電圧の正負に応じてスイッチ制御処理の変更を行う。そして、制御部２０は、スイッチ制御処理の変更を、変更前における双方向スイッチＳの接続状態のうち変更後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。これにより、例えば、昇圧動作の場合には、昇圧制御を精度よく行うことができる。
【０１３８】
また、制御部２０は、入力方向電力変換の場合、出力側の相電圧間の大小関係および出力側の中間の相電圧の正負に応じてスイッチ制御処理の変更を行い、かつ、スイッチ制御処理の変更を、変更前における双方向スイッチＳの接続状態のうち変更後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。これにより、例えば、昇圧動作の場合には、昇圧制御を精度よく行うことができる。
【０１３９】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１４０】
１ マトリクスコンバータ
２ 交流電源
３ 負荷
４ 設定器
１０ 電力変換部
１１ 入力側リアクトル群
１２ 入力側コンデンサ群
１３ 入力側スイッチ（第１スイッチ）
１４ 出力側リアクトル群
１５ 出力側コンデンサ群
１６ 出力側スイッチ（第２スイッチ）
２０ 制御部
Ｃ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔ，Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗ，Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｌ１ｒ，Ｌ１ｓ，Ｌ１ｔ，Ｌ１ 第１リアクトル
Ｌ２ｕ，Ｌ２ｖ，Ｌ２ｗ，Ｌ２ 第２リアクトル
Ｓｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕ，Ｓｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗ，Ｓ 双方向スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクスコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マトリクスコンバータは、高調波電流の抑制や回生電力の有効利用が可能であることから、新しい電力変換装置として注目されている。マトリクスコンバータは、例えば、交流電源の各相と負荷の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備え、これらの双方向スイッチを制御して、交流電源の各相電圧を直接スイッチングして負荷へ任意の電圧・周波数を出力する。
【０００３】
かかるマトリクスコンバータは、双方向スイッチをＰＷＭ制御し、その導通比率を制御するものであるため、負荷側電圧が交流電源側電圧よりも低い電圧であることが一般的である。しかし、近年、負荷側電圧を交流電源側電圧よりも高い電圧にする昇圧機能を有するものが提案されている。
【０００４】
昇圧機能を有するマトリクスコンバータは、例えば、交流電源の各相と双方向スイッチとの間にリアクトルを備え、かつ負荷に接続される出力の各相を接続するコンデンサを備え、双方向スイッチを制御することによって、２以上のリアクトルの双方向スイッチ側端子間を短絡後、コンデンサに接続する。これにより、マトリクスコンバータにおいて、負荷側電圧を交流電源側電圧よりも高い電圧にする昇圧機能が実現される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／１１２２７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マトリクスコンバータにおいては、双方向スイッチの制御を容易に行うことが望まれる。
【０００７】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、昇圧機能の有無によらず双方向スイッチの制御を容易に行うことができるマトリクスコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の開示するマトリクスコンバータは、一態様において、交流電源の各相と負荷の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備えた電力変換部と、前記複数の双方向スイッチを制御する制御部とを備え、前記制御部は、負荷側相間電圧のうち最大の相間電圧を、前記最大の相間電圧に対する相と交流電源側相間電圧のうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成し、前記負荷側相間電圧のうち中間の相間電圧を、前記中間の相間電圧に対する相と前記交流電源側相間電圧のうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本願の開示するマトリクスコンバータの一つの態様によれば、双方向スイッチの制御を容易に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例に係るマトリクスコンバータの構成を示す図である。
【図２】図２は、Ｂモードにおける回路構成の説明図である。
【図３】図３は、昇圧動作時の双方向スイッチの制御例を示す図である。
【図４】図４は、図３に示す区間Ｌの拡大図である。
【図５】図５は、表３に示す区間Ｌｃ，Ｌｇにおいて電流が流れる経路を示す図である。
【図６】図６は、入力相の電圧と入力区間との関係を示す図である。
【図７】図７は、入力相の電圧と入力区間との関係を示す図である。
【図８】図８は、図１に示す制御部による双方向スイッチの制御の一例を示す図である。
【図９】図９は、図８に示す区間Ｔ１１の拡大図である。
【図１０】図１０は、図１に示す制御部の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＰＷＭ信号発生部によるＰＷＭ信号の生成方法の説明図である。
【図１２】図１２は、図１０に示すＰＷＭ信号発生部によるＰＷＭ信号の生成方法の説明図である。
【図１３】図１３は、相間電圧指令の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本願の開示するマトリクスコンバータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１２】
［マトリクスコンバータの全体構成］
まず、実施例に係るマトリクスコンバータの全体構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施例に係るマトリクスコンバータ１の構成を示す図である。図１に示すように、実施例に係るマトリクスコンバータ１は、交流電源２と負荷３との間に設けられる。
【００１３】
マトリクスコンバータ１は、交流電源２と負荷３との間で双方向の電力変換を行うことが可能であり、さらに、交流電源２と負荷３との間で昇降圧を行うことが可能である。かかるマトリクスコンバータ１では、電力変換の方向は、例えば、設定器４からの設定に基づき決定される。また、負荷３として、例えば、交流発電機や交流電動機などを適用することができる。なお、以下においては、交流電源２側を入力側と記載し、負荷３側を出力側と記載する。
【００１４】
マトリクスコンバータ１は、図１に示すように、電力変換部１０と、入力側リアクトル群１１と、入力側コンデンサ群１２と、入力側スイッチ１３と、出力側リアクトル群１４と、出力側コンデンサ群１５と、出力側スイッチ１６と、制御部２０とを備える。
【００１５】
電力変換部１０は、交流電源２の各相と負荷３の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕ，Ｓｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗ（以下、双方向スイッチＳと総称する場合がある）を備える。双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕは、交流電源２のＲ相，Ｓ相，Ｔ相と負荷３のＵ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖは、交流電源２のＲ相，Ｓ相，Ｔ相と負荷３のＶ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗは、交流電源２のＲ相，Ｓ相，Ｔ相と負荷３のＷ相とをそれぞれ接続する。
【００１６】
双方向スイッチＳは、例えば、単一方向のスイッチング素子を互いに逆方向に並列接続した２素子から構成することができる。スイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチが用いられる。そして、かかる半導体スイッチのゲートに信号を入力して各半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることで、通電方向が制御される。
【００１７】
入力側リアクトル群１１は、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓ，Ｌ１ｔ（以下、第１リアクトルＬ１と総称する場合がある）を備える。第１リアクトルＬ１ｒは、交流電源２のＲ相と双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗとの間に設けられる。第１リアクトルＬ１ｓは、交流電源２のＳ相と双方向スイッチＳｓｕ，Ｓｓｖ，Ｓｓｗとの間に設けられる。第１リアクトルＬ１ｔは、交流電源２のＴ相と双方向スイッチＳｔｕ，Ｓｔｖ，Ｓｔｗとの間に設けられる。
【００１８】
入力側コンデンサ群１２は、第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔ（以下、第１コンデンサＣ１と総称する場合がある）を備える。第１コンデンサＣ１ｒは、第１リアクトルＬ１ｒの双方向スイッチＳ側端子と入力側スイッチ１３との間に設けられる。第１コンデンサＣ１ｓは、第１リアクトルＬ１ｓの双方向スイッチＳ側端子と入力側スイッチ１３との間に設けられる。第１コンデンサＣ１ｔは、第１リアクトルＬ１ｔの双方向スイッチＳ側端子と入力側スイッチ１３との間に設けられる。
【００１９】
入力側スイッチ１３は、一端が双方向スイッチＳに接続された第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔの他端を互いに接続するスイッチである。すなわち、入力側スイッチ１３がオンのとき、第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔの他端が互いに接続された状態になり、入力側スイッチ１３がオフのとき、第１コンデンサＣ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔの他端がそれぞれ開放された状態になる。
【００２０】
出力側リアクトル群１４は、第２リアクトルＬ２ｕ，Ｌ２ｖ，Ｌ２ｗ（以下、第２リアクトルＬ２と総称する場合がある）を備える。第２リアクトルＬ２ｕは、負荷３のＵ相と双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕとの間に設けられる。第２リアクトルＬ２ｖは、負荷３のＶ相と双方向スイッチＳｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖとの間に設けられる。第２リアクトルＬ２ｗは、負荷３のＷ相と双方向スイッチＳｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗとの間に設けられる。
【００２１】
出力側コンデンサ群１５は、第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗ（以下、第２コンデンサＣ２と総称する場合がある）を備える。第２コンデンサＣ２ｕは、第２リアクトルＬ２ｕの双方向スイッチＳ側端子と出力側スイッチ１６との間に設けられる。第２コンデンサＣ２ｖは、第２リアクトルＬ２ｖの双方向スイッチＳ側端子と出力側スイッチ１６との間に設けられる。第２コンデンサＣ２ｗは、第２リアクトルＬ２ｗの双方向スイッチＳ側端子と出力側スイッチ１６との間に設けられる。
【００２２】
出力側スイッチ１６は、一端が双方向スイッチＳに接続された第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗの他端を互いに接続するスイッチである。すなわち、出力側スイッチ１６がオンのとき、第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗの他端が互いに接続された状態になり、出力側スイッチ１６がオフのとき、第２コンデンサＣ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗの他端がそれぞれ開放された状態になる。
【００２３】
［マトリクスコンバータ１の動作モード］
次に、マトリクスコンバータ１の動作モードについて説明する。マトリクスコンバータ１は、以下に示すように、Ａモード、Ｂモード、ＣモードおよびＤモードの４つの動作モードを有する。
【表１】
【００２４】
マトリクスコンバータ１は、動作モード毎に、入力側スイッチ１３および出力側スイッチ１６の状態を変更する。具体的には、制御部２０は、実行すべき動作モードに応じて、入力側スイッチ１３および出力側スイッチ１６を下記表２にしたがってオン／オフ制御を行う。
【表２】
【００２５】
［マトリクスコンバータ１の昇圧動作］
次に、マトリクスコンバータ１による昇圧動作について説明する。昇圧動作は、上記表２に示すようにＢモードおよびＤモードにおいて実行される。ここでは、昇圧動作としてＢモードの動作を挙げて説明する。なお、以下においては、理解を容易にするために、まず、基本的な昇圧動作について説明した後、具体的な昇圧動作を説明する。
【００２６】
Ｂモードでは、制御部２０によって、入力側スイッチ１３がオフに設定され、出力側スイッチ１６が制御部２０によってオンに設定される。したがって、マトリクスコンバータ１は、Ｂモードでは図２に示す回路と等価になる。図２は、Ｂモードにおける回路構成の説明図である。なお、Ｂモードにおいて、入力側スイッチ１３をオフにするのは、不要な短絡電流の発生を防止するためである。
【００２７】
制御部２０は、入力側スイッチ１３および出力側スイッチ１６を設定した後、第１リアクトルＬ１の双方向スイッチＳ側端子を互いに接続する。例えば、制御部２０は、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕをオンにする。これにより、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓの双方向スイッチＳ側端子が双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕを介して互いに接続される。これにより交流電源２のＲ相およびＳ相が、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓを介して短絡され、短絡電流が流れ、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓに磁気エネルギーが蓄積される。なお、ここでは、昇圧動作の間、双方向スイッチＳｔｕは、制御部２０によってオンの状態に固定されるものとする。
【００２８】
次に、制御部２０は、第１リアクトルＬ１に蓄積した磁気エネルギーを電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２へ放出する。例えば、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕをオンにして第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓに磁気エネルギーを蓄積した場合、制御部２０は、双方向スイッチＳｓｕ，Ｓｒｕをオフにし、双方向スイッチＳｓｖ，Ｓｒｗをオンにする。これにより、第１リアクトルＬ１ｓ，Ｌ１ｒのそれぞれに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｖ，Ｃ２ｗへそれぞれ放出される。その結果、Ｖ相とＷ相との間の相間電圧の絶対値はＲ相とＳ相との相間電圧の絶対値よりも大きい値になり、昇圧が行われる。
【００２９】
このように、Ｂモードにおける昇圧動作では、第１リアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーを電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２に蓄積させるため、第１リアクトルＬ１から第２コンデンサＣ２への経路を確立するように双方向スイッチＳが制御される。
【００３０】
Ｄモードの昇圧動作も、Ｂモードと同様な制御によって行われる。具体的には、制御部２０は、第２リアクトルＬ２に蓄積された磁気エネルギーを電気エネルギーとして第１コンデンサＣ１に蓄積させることによって、出力側から入力側への電力変換における昇圧動作を実行する。
【００３１】
ここで、マトリクスコンバータ１の昇圧動作についての理解を容易にするために、図３に示すような制御を考える。図３は、昇圧動作であるＢモードにおける双方向スイッチＳの制御例を示す図である。図３に示す制御では、図示された大小関係をもつＲ相、Ｓ相およびＴ相の３つの入力相の電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔによって、最大の出力相間電圧（以下、最大出力相間電圧Ｖohighと記載する）と中間の出力相間電圧（以下、中間出力相間電圧Ｖomidと記載する）がそれぞれ生成される。
【００３２】
図３に示す区間Ｌは、図４に示すように、区間Ｌａ〜区間Ｌｉの９つの期間に分けることができる。図４は、図３に示す区間Ｌの拡大図である。区間Ｌａ〜区間Ｌｉにおいてオン状態にする双方向スイッチＳと電流経路との関係を下記表３に示す。なお、出力相間電圧Ｖｕｗを最大出力相間電圧Ｖohighとし、出力相間電圧Ｖｖｗを中間出力相間電圧Ｖomidとする。
【表３】
【００３３】
上記表３に示す区間Ｌｃ，Ｌｇにおいては、図５に示すように、Ｓ相からＴ相へ流れる電流は、双方向スイッチＳｓｕおよび第２コンデンサＣ２ｕを通る第１経路と、双方向スイッチＳｓｖおよび第２コンデンサＣ２ｖを通る第２経路とに分かれる。図５は、区間Ｌｃ，Ｌｇにおいて電流が流れる経路を示す図である。
【００３４】
また、上記表３に示す区間Ｌｅにおいても、Ｒ相からＴ相へ流れる電流は、双方向スイッチＳｒｕおよび第２コンデンサＣ２ｕを通る第１経路と、双方向スイッチＳｒｖおよび第２コンデンサＣ２ｖを通る第２経路とに分かれる。
【００３５】
このように第１経路と第２経路に分流する場合、分流を前提としない基本的な昇圧チョッパの動作とはならない。従って、昇圧比を決める基本的な昇圧チョッパの基本式に基づいた昇圧制御を行うことができず、補償処理を行うことになり、制御方法が複雑になる。また、例えば、Ａモードにおける降圧動作においても、３つの入力相によって、最大出力相間電圧Ｖohighと中間出力相間電圧Ｖomidが生成されることから、双方向スイッチＳの制御が複雑になる。
【００３６】
そこで、実施例に係るマトリクスコンバータ１は、ＡモードおよびＢモードにおいて、２つの入力相によって、最大出力相間電圧Ｖohighと中間出力相間電圧Ｖomidを生成する。また、マトリクスコンバータ１は、ＣモードおよびＤモードにおいても同様に、２つの出力相によって、最大の入力相間電圧（以下、最大入力相間電圧Ｖihighと記載する）と中間の入力相間電圧（以下、中間入力相間電圧Ｖimidと記載する）を生成する。これにより、マトリクスコンバータ１では、上述した分流状態が解消され、また、双方向スイッチＳの制御が容易になる。
【００３７】
以下、制御部２０が昇圧動作において実行する双方向スイッチＳの制御について、図面を参照して具体的に説明する。図６および図７は、入力相の電圧と入力区間との関係を示す図であり、図８は、図１に示す制御部２０による双方向スイッチＳの制御の一例を示す図である。なお、ＢモードとＤモードとは入出力の関係が逆である以外は同様の動作であるため、ここでは、Ｂモードにおける動作を例に挙げて説明する。
【００３８】
Ｂモードにおいては、図６に示すように、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相の３つの入力相電圧において絶対値の大小関係が変化しない期間である入力区間Ｅ０〜Ｅ１１に区分けされる。制御部２０は、後述する入力電圧の位相θａから入力区間Ｅ０〜Ｅ１１を求めるテーブルを有する。そして、制御部２０は、入力電圧の位相θａを検出し、かかる入力電圧の位相θａに基づいて入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの状態が入力区間Ｅ０〜Ｅ１１のいずれの入力区間に属する状態かを判定する。
【００３９】
また、図７に示すように、入力電圧の位相θａに所定の位相差θｂを加算した位相に基づき入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’に区分けすることもできる。入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’は、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔに対して位相差θｂを有する電圧Ｖｒ’，Ｖｓ’，Ｖｔ’ において絶対値の大小関係が変化しない期間である。
【００４０】
入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’に区分けすることで、入力力率を調整することができる。例えば、位相差θｂを−９０°とすることによって、入力力率を０にすることができる。この場合、制御部２０は、入力電圧の位相θａから入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’を求めるテーブルを有する。そして、制御部２０は、入力電圧の位相θａを検出し、かかる入力電圧の位相θａに基づいて電圧Ｖｒ’，Ｖｓ’，Ｖｔ’の状態が入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’のいずれの入力区間に属する状態かを判定する。
【００４１】
すなわち、制御部２０は、最大入力相間電圧Ｖihighおよび中間入力相間電圧Ｖimidを、入力電圧の位相θａに、所定の位相差θｂを加算した位相に基づき選択することができる。また、制御部２０は、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔ間の大小関係および中間の相電圧の正負を、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの位相θａに、所定の位相差θｂを加算した位相に基づき判定することができる。
【００４２】
このように、制御部２０は、入力電圧の位相θａに基づいて、入力区間Ｅ０〜Ｅ１１または入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’のいずれの入力区間に属する状態かを判定する。なお、以下においては、制御部２０が入力区間を入力区間Ｅ０〜Ｅ１１から判定するものとして説明するが、制御部２０が入力区間を入力区間Ｅ０’〜Ｅ１１’から判定する場合も同様の制御である。
【００４３】
制御部２０は、入力区間を判定した後、最大出力相間電圧Ｖohighにする相に対しては、最大入力相間電圧Ｖihighが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。例えば、入力区間が図６に示す入力区間Ｅ１であり、Ｕ相とＷ相との間の相間電圧を最大出力相間電圧Ｖohighとする場合を考える。入力区間Ｅ１では、最大入力相間電圧Ｖihighが入力される相はＲ相およびＴ相である。したがって、制御部２０は、図８に示すように、Ｕ相とＲ相との接続を行う双方向スイッチＳｒｕをオンにし、Ｗ相とＴ相との接続を行う双方向スイッチＳｔｗをオンにする。
【００４４】
また、制御部２０は、中間出力相間電圧Ｖomidにする相に対しては、中間入力相間電圧Ｖimidが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。例えば、入力区間が図６に示す入力区間Ｅ１であり、Ｖ相とＷ相との間の相間電圧を中間出力相間電圧Ｖomidとする場合を考える。入力区間Ｅ１では、中間入力相間電圧Ｖimidが入力される相はＳ相およびＴ相である。したがって、制御部２０は、図８に示すように、Ｖ相とＳ相との接続を行う双方向スイッチＳｓｖをオンにし、Ｗ相とＴ相との接続を行う双方向スイッチＳｔｗをオンにする。
【００４５】
図９は、図８に示す区間Ｔ１１の拡大図である。図９に示すように、図８に示すパルスの１周期は、区間ａ〜区間ｅの５つの期間に分けることができる。図８に示す例では、Ｔ１＞Ｔ２の場合を示している。入力と出力との関係によっては、Ｔ１＜Ｔ２となる場合もあるが、最大出力相間電圧Ｖohighおよび中間出力相間電圧Ｖomidを出力する期間が異なるだけであり、説明を分かり易くするために、以下においては、Ｔ１＞Ｔ２である場合について説明する。
【００４６】
区間ａ〜区間ｅにおいてオンにする双方向スイッチＳと電流経路との関係を表４に示す。なお、出力相間電圧Ｖｕｗを最大出力相間電圧Ｖohighとし、出力相間電圧Ｖｖｗを中間出力相間電圧Ｖomidとする。
【表４】
【００４７】
上記表４に示すように、区間ａ〜ｅのいずれも分流することなく、第１リアクトルＬ１に対応する第２コンデンサＣ２に電流が流れる。具体的には、区間ａ，ｅにおいて第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓにおいて磁気エネルギーを蓄積した後、区間ｂ，ｄにおいて第１リアクトルＬ１ｒから第２コンデンサＣ２ｕへ磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出される。また、区間ｃにおいて第１リアクトルＬ１ｒから第２コンデンサＣ２ｕへ磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出され、かつ第１リアクトルＬ１ｓから第２コンデンサＣ２ｖへ磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出される。
【００４８】
また、マトリクスコンバータ１のスイッチ制御は、図９に示す区間ａ〜ｅでのスイッチ制御であるため、パルス１周期に行う双方向スイッチＳの制御回数を、図４に示す区間Ｌａ〜Ｌｉでのスイッチ制御に比べて大幅に低減することができる。そのため、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことが可能になる。
【００４９】
このように、実施例に係るマトリクスコンバータ１は、昇圧動作であるＢモードにおいて、２つの入力相によって、最大出力相間電圧Ｖohighと中間出力相間電圧Ｖomidを生成するため、上述した分流状態を解消し、また、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことができる。また、昇圧動作であるＤモードの場合も同様に、マトリクスコンバータ１は、２つの出力相によって、最大入力相間電圧Ｖihighと中間入力相間電圧Ｖimidを生成するため、上述した分流状態を解消し、また、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことができる。
【００５０】
［制御部２０の構成］
以下、マトリクスコンバータ１の制御部２０の構成について具体的に説明する。図１０は、図１に示す制御部２０の構成を示す図である。図１０に示すように、制御部２０は、入力電圧検出部２１と、出力電圧検出部２２と、電圧指令生成部２３と、昇圧降圧切替部２４と、ＰＷＭ信号発生部２５とを備える。
【００５１】
入力電圧検出部２１は、入力側の電圧を検出する。具体的には、入力電圧検出部２１は、交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と第１リアクトルＬ１との間の接続点を監視して、交流電源２の相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒ（以下、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒと記載する）の値を検出する。入力相間電圧ＶｒｓはＲ相とＳ相との間の電圧、入力相間電圧ＶｓｔはＳ相とＴ相との間の電圧、入力相間電圧ＶｔｒはＴ相とＲ相との間の電圧である。さらに、入力電圧検出部２１は、入力電圧の位相θａを検出する。
【００５２】
出力電圧検出部２２は、出力側の電圧を検出する。具体的には、出力電圧検出部２２は、負荷３側のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相と第２リアクトルＬ２との間の接続点を監視して、交流電源２の相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ（以下、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕと記載する）の値を検出する。出力相間電圧ＶｕｖはＵ相とＶ相との間の電圧、出力相間電圧ＶｖｗはＶ相とＷ相との間の電圧、出力相間電圧ＶｗｕはＷ相とＵ相との間の電圧である。さらに、出力電圧検出部２２は、出力電圧の位相θｃを検出する。
【００５３】
電圧指令生成部２３は、設定器４（図１参照）によって設定された電力変換方向情報Ｋｄに基づき、電力変換方向を決定する。具体的には、電圧指令生成部２３は、電力変換方向情報Ｋｄに基づき、交流電源２側の電圧を基準に負荷３側への電圧を生成して行う電力変換（以下、出力方向電力変換と記載する）か、負荷３側の電圧を基準に交流電源２側への電圧を生成して行う電力変換（以下、入力方向電力変換と記載する）かを決定する。
【００５４】
また、電圧指令生成部２３は、電圧設定値Ｋｖ、周波数設定値Ｋｆおよび電力変換方向情報Ｋｄに応じた電圧指令を生成し、ＰＷＭ信号発生部２５と昇圧降圧切替部２４へ出力する。電圧設定値Ｋｖおよび周波数設定値Ｋｆは、設定器４によって電圧指令生成部２３に設定される情報である。
【００５５】
例えば、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示す情報である場合、電圧指令生成部２３は、電圧設定値Ｋｖおよび周波数設定値Ｋｆに応じた出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を生成する。すなわち、電圧指令生成部２３は、出力側の電圧を、電圧設定値Ｋｖに応じた電圧および周波数設定値Ｋｆに応じた周波数にする出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を生成する。
【００５６】
一方、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換を示す情報である場合、電圧指令生成部２３は、電圧設定値Ｋｖおよび周波数設定値Ｋｆに応じた入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*を生成する。すなわち、電圧指令生成部２３は、入力側の電圧を、電圧設定値Ｋｖに応じた電圧および周波数設定値Ｋｆに応じた周波数にする入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*を生成する。
【００５７】
昇圧降圧切替部２４は、Ａモード、Ｂモード、ＣモードおよびＤモードの４つの動作モード（上記表１参照）のうちいずれかの動作モードを選択し、選択した動作モードの情報ＩＭを示す情報をＰＷＭ信号発生部２５へ通知する。
【００５８】
昇圧降圧切替部２４による動作モードの選択は、電力変換方向情報Ｋｄ、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値、および出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの値に基づいて行われる。昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄを電圧指令生成部２３から取得し、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値を入力電圧検出部２１から取得し、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの値を出力電圧検出部２２から取得する。
【００５９】
昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換である場合、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値に基づいて、入力電圧値Ｖａを検出する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち絶対値が最大値となる入力相間電圧の絶対値を入力電圧値Ｖａとする。
【００６０】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換である場合、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*により出力相間電圧指令Ｖｕｖ＊、Ｖｖｗ＊、Ｖｗｕ＊をそれぞれ演算する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、出力相間電圧指令Ｖｕｖ＊をＶｕ＊−Ｖｖ＊によって求め、出力相間電圧指令Ｖｖｗ＊をＶｖ＊−Ｖｗ＊によって求め、出力相間電圧指令Ｖｗｕ＊をＶｗ＊−Ｖｕ＊によって求める。そして、昇圧降圧切替部２４は、これらの出力相間電圧指令Ｖｕｖ＊、Ｖｖｗ＊、Ｖｗｕ＊のうち絶対値が最大値となる出力相間電圧指令の絶対値を出力電圧指令値Ｖｂ＊とする。
【００６１】
昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示し、かつ、入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃが出力電圧指令値Ｖｂ＊以上である場合、Ａモードを選択する。なお、「入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃ」は、降圧動作によって電圧設定値Ｋｖに応じた電圧を出力相の電圧にすることができるか否かを判定する値である。例えば、入力電圧値Ｖａに対して、降圧動作によって生成できる出力電圧の最大値がＶａ×ｋ１である場合、「入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃ」は、昇圧降圧切替部２４において、Ｖａ×ｋ１に設定される。
【００６２】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示し、かつ、入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃが出力電圧指令値Ｖｂ＊未満である場合、Ｂモードを選択する。
【００６３】
一方、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換である場合、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕに基づいて、出力電圧値Ｖｂを検出する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち絶対値が最大値となる出力相間電圧の値を出力電圧値Ｖｂとする。
【００６４】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換である場合、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*により入力相間電圧指令Ｖｒｓ＊、Ｖｓｔ＊、Ｖｔｒ＊をそれぞれ演算する。具体的には、昇圧降圧切替部２４は、入力相間電圧指令Ｖｒｓ＊をＶｒ＊−Ｖｓ＊によって求め、入力相間電圧指令Ｖｓｔ＊をＶｓ＊−Ｖｔ＊によって求め、入力相間電圧指令Ｖｔｒ＊をＶｔ＊−Ｖｒ＊によって求める。そして、昇圧降圧切替部２４は、これらの入力相間電圧指令Ｖｒｓ＊、Ｖｓｔ＊、Ｖｔｒ＊のうち絶対値が最大値となる入力相間電圧指令の絶対値を入力電圧指令値Ｖａ＊とする。
【００６５】
昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換を示し、かつ、出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄが入力電圧指令値Ｖａ＊以上である場合、Ｃモードを選択する。なお、「出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄ」は、降圧動作によって電圧設定値Ｋｖに応じた電圧を入力相の電圧にすることができるか否かを判定する値である。例えば、出力電圧値Ｖｂに対して、降圧動作によって生成できる入力電圧の最大値がＶｂ×ｋ２である場合、昇圧降圧切替部２４において、「出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄ」は、Ｖｂ×ｋ２に設定される。
【００６６】
また、昇圧降圧切替部２４は、電力変換方向情報Ｋｄが入力方向電力変換を示し、かつ、出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄが入力電圧指令値Ｖａ＊未満である場合、Ｄモードを選択する。
【００６７】
このように、昇圧降圧切替部２４は、入力電圧値Ｖａに応じた値Ｖｃと出力電圧指令値Ｖｂ*との大小関係、および、出力電圧値Ｖｂに応じた値Ｖｄと入力電圧指令値Ｖａ*との大小関係を判定する。そして、かかる判定結果と電力変換方向情報Ｋｄに基づいて、昇圧降圧切替部２４は、Ａモード、Ｂモード、ＣモードおよびＤモードのうちいずれかの動作モードを決定する。
【００６８】
ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードに応じて、入力側スイッチ１３と出力側スイッチ１６を上記表２の規定に従ってオン／オフ制御する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、昇圧降圧切替部２４によって選択された動作モードを示す情報を昇圧降圧切替部２４から取得し、かかる動作モードに応じたＰＷＭ信号を生成する。そして、生成したＰＷＭ信号を電力変換部１０へ出力する。
【００６９】
例えば、動作モードの情報がＡモードまたはＢモードを示す場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒの値および入力電圧の位相θａを入力電圧検出部２１から取得する。そして、取得した情報に基づき、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相の状態が入力区間Ｅ０〜Ｅ１１のうちどの入力区間に属する状態かを判定する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、後述するように、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*の値に基づいて、後述する出力区間Ｆ０〜Ｆ５（図１３参照）のうちどの出力区間に属する状態かを判定する。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、後述するように、判定した入力区間および出力区間に基づき、双方向スイッチＳをオン／オフするＰＷＭ信号を生成する。
【００７０】
一方、動作モードの情報がＣモードまたはＤモードを示す場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの値および出力電圧の位相θｃを出力電圧検出部２２から取得する。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを、それぞれ入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒに読み替え、出力相の状態が図７に示す入力区間Ｅ０〜Ｅ１１のうちどの入力区間に属する状態かを判定する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*を、それぞれ出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に読み替え、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*の状態が図１３に示す出力区間Ｆ０〜Ｆ５のうちどの出力区間に属する状態かを判定する。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、後述するように、判定した出力区間および入力区間に基づき、双方向スイッチＳをオン／オフするＰＷＭ信号を生成する。
【００７１】
ところで、ＰＷＭ信号発生部２５は、変調波と搬送波を生成し、これらを比較することにより、電力変換部１０の双方向スイッチＳをオン／オフするＰＷＭ信号を生成する。図１１および図１２は、図１０に示すＰＷＭ信号発生部２５によるＰＷＭ信号の生成方法の説明図である。
【００７２】
ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードの情報がＡモードまたはＢモードを示す場合、図１１に示すように、搬送波ＣＷ１と最大出力相間電圧Ｖohigh用の変調波ＭＷ１とを比較することによって、最大出力相間電圧Ｖohigh用のＰＷＭ信号ＳＰ１を生成する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、搬送波ＣＷ２と中間出力相間電圧Ｖomid用の変調波ＭＷ２とを比較することによって、中間出力相間電圧Ｖomid用のＰＷＭ信号ＳＰ２を生成する。
【００７３】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードの情報がＣモードまたはＤモードを示す場合、図１２に示すように、搬送波ＣＷ３と最大入力相間電圧Ｖihigh用の変調波ＭＷ３とを比較することによって、最大入力相間電圧Ｖihigh用のＰＷＭ信号ＳＰ３を生成する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、搬送波ＣＷ４と中間入力相間電圧Ｖimid用の変調波ＭＷ４とを比較することによって、中間入力相間電圧Ｖimid用のＰＷＭ信号ＳＰ４を生成する。
【００７４】
ＰＷＭ信号発生部２５は、搬送波ＣＷ１〜ＣＷ４、および変調波ＭＷ１〜ＭＷ４の振幅を表５に従って生成する。
【表５】
【００７５】
動作モードがＡモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、入力電圧検出値Ｖｉｎ１に基づいて搬送波ＣＷ１の振幅を調整し、さらに、入力電圧検出値Ｖｉｎ２に基づいて搬送波ＣＷ２の振幅を調整する。入力電圧検出値Ｖｉｎ１は、入力相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒのうち絶対値が最大値となる入力相間電圧の絶対値であり、入力電圧検出値Ｖｉｎ２は、絶対値が２番目に大きな値となる入力相間電圧の絶対値である。
【００７６】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、上述した昇圧降圧切替部２４と同様に、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*から、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*のうち絶対値が最も大きな出力相間電圧指令の絶対値を最大出力相間電圧指令Ｖohigh*とし、絶対値が２番目に大きな出力相間電圧指令の絶対値を中間出力相間電圧指令Ｖomid*とする。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、最大出力相間電圧指令Ｖohigh*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ１の大きさを調整し、中間出力相間電圧指令Ｖomid*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ２の大きさを調整する。
【００７７】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＡモードである場合、入力側スイッチ１３をオンにし、出力側スイッチ１６をオフにする。これにより、交流電源２と電力変換部１０との間に、第１リアクトルＬ１および第１コンデンサＣ１によるフィルタ回路が形成される。
【００７８】
Ａモードでは、降圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。すなわち、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号によって、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが下記式（１），（２）に示すような関係になるように双方向スイッチＳが制御される。
（Ｔｏｎ１＋Ｔｏｆｆ１）／Ｔｏｎ１＝Ｖｉｎ１／Ｖohigh* ・・・（１）
（Ｔｏｎ２＋Ｔｏｆｆ２）／Ｔｏｎ２＝Ｖｉｎ２／Ｖomid* ・・・（２）
Ｔｏｎ１：最大出力相間電圧Ｖohighを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ１：最大出力相間電圧Ｖohighを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
Ｔｏｎ２：中間出力相間電圧Ｖomidを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ２：中間出力相間電圧Ｖomidを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
【００７９】
動作モードがＢモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*から、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*，Ｖｖｗ*，Ｖｗｕ*のうち絶対値が最も大きな出力相間電圧指令の絶対値を出力相間電圧指令Ｖｏ*１とし、絶対値が２番目に大きな出力相間電圧指令の絶対値を出力相間電圧指令Ｖｏ２＊とする。ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、かかる出力相間電圧指令Ｖｏ１*および出力相間電圧指令Ｖｏ２＊に基づき、それぞれ搬送波ＣＷ１および搬送波ＣＷ２の振幅を調整する。
【００８０】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、最大入力相間電圧Ｖihighの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ１の大きさを調整し、中間入力相間電圧Ｖimidの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ２の大きさを調整する。例えば、入力相の状態が図６に示す区間Ｅ０に属する状態である場合、最大入力相間電圧Ｖihighは入力相間電圧Ｖｒｔの絶対値であり、中間入力相間電圧Ｖimidは入力相間電圧Ｖｒｓの絶対値である。したがって、この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧Ｖｒｔの絶対値の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ１の大きさを調整し、入力相間電圧Ｖｒｓの絶対値の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ２の大きさを調整する。
【００８１】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＢモードである場合、入力側スイッチ１３をオフにし、出力側スイッチ１６をオンにする。これにより、第１リアクトルＬ１、双方向スイッチＳおよび第２コンデンサＣ２による昇圧回路が構成される。
【００８２】
Ｂモードでは、昇圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。すなわち、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号によって、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが下記式（３），（４）に示すような関係になるように双方向スイッチＳが制御される。
Ｔｏｆｆ３／（Ｔｏｎ３＋Ｔｏｆｆ３）＝Ｖihigh／Ｖo１* ・・・（３）
Ｔｏｆｆ４／（Ｔｏｎ４＋Ｔｏｆｆ４）＝Ｖimid／Ｖo２* ・・・（４）
Ｔｏｎ３：最大入力相間電圧Ｖihighを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ３：最大入力相間電圧Ｖihighを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
Ｔｏｎ４：中間入力相間電圧Ｖimidを生成する際のオン期間Ｔｏｎ
Ｔｏｆｆ４：中間入力相間電圧Ｖimidを生成する際のオフ期間Ｔｏｆｆ
【００８３】
動作モードがＣモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、表５に示すように、出力電圧検出値Ｖｏ１および出力電圧検出値Ｖｏ２に基づいて、それぞれ搬送波ＣＷ３および搬送波ＣＷ４の振幅を調整する。出力電圧検出値Ｖｏ１は、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち絶対値が最大値となる出力相間電圧の絶対値であり、出力電圧検出値Ｖｏ２は、絶対値が２番目に大きい出力相間電圧の絶対値である。
【００８４】
ＰＷＭ信号発生部２５は、上述した昇圧降圧切替部２４と同様に、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*から、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*のうち絶対値が最も大きな入力相間電圧指令を最大入力相間電圧指令Ｖihigh*とし、絶対値が２番目に大きな入力相間電圧指令を中間入力相間電圧指令Ｖimid*とする。そして、最大入力相間電圧指令Ｖihigh*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ３の大きさを調整し、中間入力相間電圧指令Ｖimid*の瞬時値に基づいて変調波ＭＷ４の大きさを調整する。
【００８５】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＣモードである場合、入力側スイッチ１３をオフにし、出力側スイッチ１６をオンにする。これにより、電力変換部１０と負荷３の間に、第２リアクトルＬ２および第２コンデンサＣ２によるフィルタ回路が形成される。なお、Ｃモードでは、Ａモードと同様に、降圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。
【００８６】
動作モードがＤモードである場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力電圧指令Ｖｒ*，Ｖｓ*，Ｖｔ*から、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*を生成する。ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相間電圧指令Ｖｒｓ*，Ｖｓｔ*，Ｖｔｒ*のうち絶対値が最も大きな入力相間電圧指令の絶対値を最大の入力相間電圧指令Ｖｉ１*とし、絶対値が２番目に大きな入力相間電圧指令の絶対値を入力相間電圧指令Ｖｉ２*とする。ＰＷＭ信号発生部２５は、かかる入力相間電圧指令Ｖｉ１*および入力相間電圧指令Ｖｉ２*に基づき、それぞれ搬送波ＣＷ３および搬送波ＣＷ４の振幅を調整する。
【００８７】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、最大出力相間電圧Ｖohighの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ３の大きさを調整し、中間出力相間電圧Ｖomidの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ４の大きさを調整する。例えば、最大出力相間電圧Ｖohighは出力相間電圧Ｖｕｗであり、中間出力相間電圧Ｖomidは出力相間電圧Ｖｕｖであるとする。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧Ｖｕｗの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ３の大きさを調整し、出力相間電圧Ｖｕｖの瞬時値に基づいて変調波ＭＷ４の大きさを調整する。
【００８８】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、動作モードがＤモードである場合、入力側スイッチ１３をオンにし、出力側スイッチ１６をオフにする。これにより、第２リアクトルＬ２、双方向スイッチＳおよび第１コンデンサＣ１による昇圧回路が構成される。なお、Ｄモードでは、Ｂモードと同様に、昇圧チョッパの原理に基づいて、オン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆとが決まる。
【００８９】
ここで、相間電圧指令について、図１３を参照して具体的に説明する。なお、以下においては、電力変換方向情報Ｋｄが出力方向電力変換を示す場合の例を説明する。すなわち、ＡモードまたはＢモードの動作の場合を例に挙げて説明する。図１３は、出力相間電圧指令の説明図である。
【００９０】
図１３に示すように、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*の値により、出力相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕをこれらの絶対値の大小関係が変化しない期間を区分して、出力区間Ｆ０〜出力区間Ｆ５までの区間に分ける。そして、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの値および出力電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に基づいて、図１３に示す出力相間電圧指令Ａ，Ｂを生成する。
【００９１】
出力相間電圧指令Ａは、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔのうち電圧値が中間の入力相電圧（以下、中間入力相電圧Ｖｉｍとする）が正電圧の場合に選択される出力相間電圧指令である。例えば、図１３に示す出力区間Ｆ０では、中間入力相電圧Ｖｉｍが正電圧である場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ａとして、出力相間電圧指令Ｖｕｖ*および出力相間電圧指令Ｖｖｗ*を生成する。
【００９２】
一方、出力相間電圧指令Ｂは、中間入力相電圧Ｖｉｍが負電圧の場合に選択される出力相間電圧指令である。例えば、図１３に示す出力区間Ｆ０では、中間入力相電圧Ｖｉｍが負電圧である場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｂとして、出力相間電圧指令Ｖｖｕ*および出力相間電圧指令Ｖｗｕ*を生成する。
【００９３】
ここで、図１３に示す出力区間Ｆ０におけるＰＷＭ信号の生成について、Ｂモードの動作を例に挙げて具体的に説明する。出力区間Ｆ０における出力相間電圧指令と入力区間Ｅ０〜Ｅ１１との関係を表６に示す。ＰＷＭ信号発生部２５は、出力区間Ｆ０において、表６にしたがって双方向スイッチＳのオン／オフ制御を行う。例えば、ＰＷＭ信号発生部２５は、表６に示すテーブルの情報を記憶し、かかる情報に基づいて、双方向スイッチＳのオン／オフ制御を行う。
【表６】
【００９４】
例えば、出力区間Ｆ０において、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが入力区間Ｅ０に属する状態にある場合、上記表６に示すように、中間入力相電圧ＶｉｍであるＳ相電圧Ｖｓが負電圧である。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ｂを選択し、最大出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｗｕ*を、中間出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｖｕ*をそれぞれ生成する。これにより、最大出力相間電圧Ｖohighとする相間がＷ相とＵ相との間になり、中間出力相間電圧Ｖomidとする相間がＶ相とＵ相との間になる。
【００９５】
また、入力区間Ｅ０において、最大入力相間電圧Ｖihighは入力相間電圧Ｖｒｔであり、中間入力相間電圧Ｖimidは入力相間電圧Ｖｒｓである。したがって、出力区間Ｆ０で、かつ入力区間Ｅ０の場合に、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳの接続制御処理（以下、スイッチ制御処理と記載する）を次のように行う。
【００９６】
まず、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ａにおいて、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕをオンにして、第１リアクトルＬ１ｓ，Ｌ１ｔに磁気エネルギーを蓄積する。なお、双方向スイッチＳｒｕは、図９に示す全区間ａ〜ｅにおいてオン状態に維持される。
【００９７】
次に、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｂ〜ｄにおいて、最大出力相間電圧ＶohighにするＵ相およびＷ相に対して、最大入力相間電圧Ｖihighが入力されるＲ相およびＴ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｔｕをオフにし、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｔｗをオンにする。双方向スイッチＳｒｕはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｔｗをオンにして、Ｔ相とＷ相を接続する。双方向スイッチＳｔｗは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ１によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｔに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｗに放出され、その結果、Ｔ相の電圧が昇圧されてＷ相へ出力される。
【００９８】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｃにおいて、中間出力相間電圧ＶomidにするＵ相およびＶ相に対して、中間入力相間電圧Ｖimidが入力されるＲ相およびＳ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｓｕをオフにし、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｖをオンにする。双方向スイッチＳｒｕはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｓｖをオンにしてＳ相とＶ相を接続する。双方向スイッチＳｓｖは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ２によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｓに蓄積されたエネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｖに放出され、結果として、Ｓ相の電圧が昇圧されてＶ相へ出力される。
【００９９】
また、出力区間Ｆ０において、入力相電圧Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが入力区間Ｅ１にある場合、中間入力相電圧ＶｉｍであるＳ相電圧Ｖｓが正電圧である。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、出力相間電圧指令Ａを選択し、最大出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｕｗ*を、中間出力相間電圧指令として出力相間電圧指令Ｖｖｗ*をそれぞれ生成する。これにより、最大出力相間電圧Ｖohighとする相間がＵ相とＷ相との間になり、中間出力相間電圧Ｖomidとする相間がＶ相とＷ相との間になる。
【０１００】
また、入力区間Ｅ１において、最大入力相間電圧Ｖihighは入力相間電圧Ｖｒｔであり、中間入力相間電圧Ｖimidは入力相間電圧Ｖｓｔである。したがって、出力区間Ｆ０で、かつ入力区間Ｅ１の場合に、ＰＷＭ信号発生部２５はスイッチ制御処理を次のように行う。
【０１０１】
まず、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ａにおいて、双方向スイッチＳｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗをオンにして、第１リアクトルＬ１ｒ，Ｌ１ｓに磁気エネルギーを蓄積する。なお、双方向スイッチＳｔｗは、図９に示す全区間ａ〜ｅにおいてオン状態に維持される。
【０１０２】
次に、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｂ〜ｄにおいて、最大出力相間電圧ＶohighにするＵ相およびＷ相に対して、最大入力相間電圧Ｖihighが入力されるＲ相およびＴ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｒｗをオフにし、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｔｗをオンにする。双方向スイッチＳｔｗはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｒｕをオンにして、Ｒ相とＵ相を接続する。双方向スイッチＳｒｕは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ１によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｒに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｕに放出され、結果として、Ｒ相の電圧が昇圧されてＵ相へ出力される。
【０１０３】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、図９に示す区間ｃにおいて、中間出力相間電圧ＶomidにするＶ相およびＷ相に対して、中間入力相間電圧Ｖimidが入力されるＳ相およびＴ相との接続を行うため、双方向スイッチＳｓｗをオフにし、双方向スイッチＳｓｖ，Ｓｔｗをオンにする。双方向スイッチＳｔｗはすでにオン状態にあるため、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳｒｖをオンにしてＲ相とＶ相を接続する。双方向スイッチＳｒｖは、ＰＷＭ信号発生部２５から出力されるＰＷＭ信号ＳＰ２によってオンにされる。これにより、第１リアクトルＬ１ｒに蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２ｖに放出され、結果として、Ｓ相の電圧が昇圧されてＶ相へ出力される。
【０１０４】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間Ｅ２〜Ｅ１１においても同様に、第１リアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーを電気エネルギーとして第２コンデンサＣ２に放出して、入力相の電圧を昇圧して出力相へ出力する。
【０１０５】
このように、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力相電圧間の大小関係および中間の入力相電圧の正負に応じてスイッチ制御処理の変更を行う。これにより、ＰＷＭ信号発生部２５は、最大出力相間電圧Ｖohighとする相間に対して最大入力相間電圧Ｖihighが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにし、中間出力相間電圧Ｖomidとする相間に対して中間入力相間電圧Ｖimidが入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにすることができる。
【０１０６】
さらに、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間や出力区間が切り替わる場合において、切り替え前後におけるスイッチ制御処理の変更を次のように行うことにより、昇圧動作を精度よく行う。なお、以下においては、Ｂモードにおける昇圧動作を例に、まず、入力区間の切り替わりについて具体的に説明した後、出力区間の切り替わりについて具体的に説明する。
【０１０７】
（入力区間の切り替わり）
ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間が切り替わる場合には、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。
【０１０８】
例えば、入力区間Ｅ０から入力区間Ｅ１への入力区間の切り替わりを考える。表７は、入力区間Ｅ０，Ｅ１において、出力電圧指令が出力区間Ｆ０にあるとき、オンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表したものである。なお、表７の各枠において、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ０においてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ１においてオンにする双方向スイッチＳである。
【表７】
【０１０９】
上記表７に示すように、入力区間Ｅ０と入力区間Ｅ１とで、区間ｃの双方向スイッチＳの状態が全て同一である。なお、表７において斜線が記載されている枠は、双方向スイッチＳの状態が入力区間Ｅ０と入力区間Ｅ１とで同一であることを示す。
【０１１０】
したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、切り替え前の入力区間Ｅ０における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後の入力区間Ｅ１における双方向スイッチＳの接続状態と一致する区間ｃから行う。かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表８に示すようなテーブルを用いる。
【表８】
【０１１１】
このように、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間が切り替わる場合には、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。かかる処理によって、マトリクスコンバータ１は、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１２】
さらに、例えば、出力電圧指令が出力区間Ｆ０にあるとき、入力区間Ｅ１から入力区間Ｅ２への入力区間の切り替わりを考える。表９は、入力区間Ｅ１，Ｅ２においてオンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表したものである。なお、表９の各枠において、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ１においてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳが入力区間Ｅ２においてオンにする双方向スイッチＳである。
【表９】
【０１１３】
上記表９に示すように、入力区間Ｅ１と入力区間Ｅ２とで、区間ａ，ｅの双方向スイッチＳの状態が全て同一である。したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳの接続状態を負荷３側へ電圧を出力しない状態から電圧を出力する状態に変更するときに行う。負荷３側へ電圧を出力しない状態は、第１リアクトルＬ１に蓄積したエネルギーを放出する区間であり、かかる区間へ移行するタイミングで入力区間に応じた双方向スイッチＳの切り替えを行うことで、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１４】
例えば、入力区間Ｅ１から入力区間Ｅ２への入力区間の切り替わりの場合、入力区間Ｅ１の区間ａから入力区間Ｅ２の区間ｂへ移行するタイミングで、入力区間Ｅ１に対するスイッチ制御処理から入力区間Ｅ２に対するスイッチ制御処理への変更を行う。かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１０に示すようなテーブルを用いる。
【表１０】
【０１１５】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、双方向スイッチＳの接続状態を負荷３側へ電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに行うこともできる。負荷３側へ電圧を出力しない状態は、第１リアクトルＬ１に磁気エネルギーを蓄積する区間であり、かかる区間へ移行するタイミングで入力区間に応じた双方向スイッチＳの切り替えを行うことで、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１６】
例えば、出力電圧指令が出力区間Ｆ０にあるとき、入力区間Ｅ１から入力区間Ｅ２への入力区間の切り替わりの場合、入力区間Ｅ１の区間ｄから入力区間Ｅ２の区間ｅへ移行するタイミングで、入力区間Ｅ１に対するスイッチ制御処理から入力区間Ｅ２に対するスイッチ制御処理への変更を行う。かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１１に示すようなテーブルを用いる。
【表１１】
【０１１７】
以上のように、マトリクスコンバータ１のＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間が切り替わる場合、区間ａ〜区間ｅのうち昇圧動作への影響が少ない区間を選択して入力区間に対応する双方向スイッチＳの状態への切り替えを行う。このためにＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間切替用として、入力区間の切り替わり１２通りのそれぞれに対して、出力電圧指令の区間である出力区間Ｆ０〜Ｆ５の６通りについて、合計７２個のテーブルを有する。これにより、昇圧動作を精度よく行うことができる。
【０１１８】
（出力区間の切り替わり）
また、上述においては、入力区間が切り替わる場合の例を説明したが、出力区間が切り替わる場合も、同様に、区間ａ〜区間ｅのうち昇圧動作への影響が少ない区間を選択してスイッチ制御処理の変更を行う。
【０１１９】
ここで、出力区間Ｆ１における出力電圧指令と入力区間Ｅ０，Ｅ１の関係を表１２に示す。
【表１２】
【０１２０】
ＰＷＭ信号発生部２５は、出力区間を切り替える場合には、切り替え前の出力区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後の出力区間における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。
【０１２１】
例えば、入力区間Ｅ１において、出力区間Ｆ０から出力区間Ｆ１への出力区間の切り替わりを考える。この場合、各出力区間Ｆ０，Ｆ１においてオンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表１３に示す。なお、表１３の各枠では、上記表７と同様に、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳが出力区間Ｆ０においてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳが出力区間Ｆ１においてオンにする双方向スイッチＳである。
【表１３】
【０１２２】
入力区間Ｅ１において、出力区間Ｆ０から出力区間Ｆ１への切り替わりの場合、上記表１３に示すように、出力区間Ｆ０と出力区間Ｆ１とで、区間ａ，ｅの双方向スイッチＳの状態が全て同一である。なお、表１３において斜線が記載されている枠は、双方向スイッチＳの状態が出力区間Ｆ０と出力区間Ｆ１とで同一であることを示す。
【０１２３】
したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、入力区間Ｅ１において、出力区間Ｆ０から出力区間Ｆ１への出力区間の切り替えを行う場合、切り替え前の出力区間Ｆ０における区間ａから切り替え後の出力区間Ｆ１における区間ｂへ移行する。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、切り替え前の出力区間Ｆ０における区間ｄから切り替え後の出力区間Ｆ１における区間ｅへ移行することもできる。なお、ＰＷＭ信号発生部２５は、かかる制御を行うために、上述の場合と同様に、出力区間切替用として、出力区間の切り替わり６通りのそれぞれに対して、入力電圧の区間である入力区間Ｅ０〜Ｅ１１の１２通りについて、合計７２個のテーブルを有している。
【０１２４】
なお、出力区間の切り替わりの場合も、入力区間の切り替わりの場合と同様に、出力区間によっては、切り替わりの前後で、電圧を出力する状態での双方向スイッチＳの接続状態と一致する出力区間もある。このような出力区間では、ＰＷＭ信号発生部２５は、負荷３側へ電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに出力区間の切り替えを行う。また、ＰＷＭ信号発生部２５は、負荷３側へ電圧を出力しない状態から電圧を出力する状態へ変更する際に出力区間の切り替えを行うこともある。
【０１２５】
（降圧動作および昇圧動作間の切り替わり）
上述においては、Ｂモードにおいて、入力区間や出力区間が切り替わる場合において、スイッチ制御処理の変更を所定のタイミングで行うことについて説明したが、降圧動作から昇圧動作へ移行する際も、スイッチ制御処理の変更を所定のタイミングで行うことができる。以下、この点について具体的に説明する。
【０１２６】
ここでは、一例として、入力区間Ｅ１でかつ出力区間Ｆ０である場合に、ＡモードからＢモードへ切り替えるスイッチ制御処理について説明する。表１４は、出力区間Ｆ０における出力電圧指令と入力区間Ｅ０，Ｅ１との関係を示す。
【表１４】
【０１２７】
ＰＷＭ信号発生部２５は、降圧動作から昇圧動作へ切り替える場合には、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後の区間における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。
【０１２８】
例えば、入力区間Ｅ０でかつ出力区間Ｆ０にある場合に、ＡモードおよびＢモードにおいてオンにする双方向スイッチＳを図９に示す区間ａ〜ｅに分けて表１５に示す。なお、表１５の各枠では、上記表７と同様に、「／」の左側に記載された双方向スイッチＳがＡモードにおいてオンにする双方向スイッチＳであり、「／」の右側に記載された双方向スイッチＳがＢモードにおいてオンにする双方向スイッチＳである。
【表１５】
【０１２９】
入力区間Ｅ０でかつ出力区間Ｆ０にある状態で、ＡモードからＢモードへ切り替わる場合、上記表１５に示すように、ＡモードとＢモードとで、区間ｃの双方向スイッチＳの状態が全く同一である。なお、表１５において斜線が記載されている枠は、双方向スイッチＳの状態がＡモードとＢモードとで同一であることを示す。
【０１３０】
したがって、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＡモードからＢモードへ切り替える場合には、切り替え前のＡモードにおける双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後のＢモードにおける双方向スイッチＳの接続状態と一致する区間ｃから行う。
【０１３１】
かかる制御を行うために、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１６に示すようなテーブルを用いる。なお、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＡモードからＢモードへの切り替えを、上記表２に従って、区間ｃの開始時から区間ｄの開始時までの間に行う。
【表１６】
【０１３２】
かかる制御は、例えば、入力区間Ｅ０でかつ出力区間Ｆ０にある状態で、ＢモードからＡモードへ切り替わる場合も同様である。この場合、ＰＷＭ信号発生部２５は、例えば、表１７に示すようなテーブルを用いる。なお、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＢモードからＡモードの切り替えを、下記表１７に従って、区間ｃの開始時から区間ｄの開始時までの間に行う。
【表１７】
【０１３３】
このように、ＰＷＭ信号発生部２５は、降圧動作から昇圧動作へ切り替わる場合およびその逆の場合に、テーブルに従い、切り替え前の区間における双方向スイッチＳの接続状態のうち切り替え後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。ＰＷＭ信号発生部２５は、このような昇圧動作と降圧動作の必要なテーブルを、入力区間Ｅ０〜Ｅ１１の１２通りと出力区間Ｆ０〜Ｆ５の６通りにより決まる７２通りの場合について、各々昇圧→降圧切替用と降圧→昇圧切替用との２つずつ、合計１４４個有している。かかる処理によって、マトリクスコンバータ１は、降圧動作から昇圧動作への移行を迅速に行うことができる。
【０１３４】
また、上述においては、Ｂモードに関するスイッチ制御処理について説明したが、ＰＷＭ信号発生部２５は、Ｄモードに関するスイッチ制御処理も同様に行う。これにより、Ｄモードにおいて、昇圧動作を精度よく行うことができる。また、ＣモードからＤモードへの移行やそのＤモードからＣモードへの移行を迅速に行うことができる。
【０１３５】
また、ＰＷＭ信号発生部２５は、ＡモードやＣモードに関するスイッチ制御処理についても、ＢモードやＤモードに関するスイッチ制御処理と同様に行う。これにより、各モードでのスイッチ制御処理を同様に行うことができることから、スイッチ制御処理が全体として複雑になることを回避することができる。
【０１３６】
以上のように、実施例に係るマトリクスコンバータ１の制御部２０は、出力相間電圧のうち最大の相間電圧にする相に対しては、入力相間電圧のうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。また、制御部２０は、出力相間電圧のうち中間の相間電圧にする相に対しては、入力相間電圧のうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う双方向スイッチＳをオンにする。これにより、双方向スイッチＳの制御を容易に行うことができる。
【０１３７】
また、制御部２０は、出力方向電力変換の場合、入力側の相電圧間の大小関係および入力側の中間の相電圧の正負に応じてスイッチ制御処理の変更を行う。そして、制御部２０は、スイッチ制御処理の変更を、変更前における双方向スイッチＳの接続状態のうち変更後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。これにより、例えば、昇圧動作の場合には、昇圧制御を精度よく行うことができる。
【０１３８】
また、制御部２０は、入力方向電力変換の場合、出力側の相電圧間の大小関係および出力側の中間の相電圧の正負に応じてスイッチ制御処理の変更を行い、かつ、スイッチ制御処理の変更を、変更前における双方向スイッチＳの接続状態のうち変更後における双方向スイッチＳの接続状態と一致する状態から行う。これにより、例えば、昇圧動作の場合には、昇圧制御を精度よく行うことができる。
【０１３９】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１４０】
１ マトリクスコンバータ
２ 交流電源
３ 負荷
４ 設定器
１０ 電力変換部
１１ 入力側リアクトル群
１２ 入力側コンデンサ群
１３ 入力側スイッチ（第１スイッチ）
１４ 出力側リアクトル群
１５ 出力側コンデンサ群
１６ 出力側スイッチ（第２スイッチ）
２０ 制御部
Ｃ１ｒ，Ｃ１ｓ，Ｃ１ｔ，Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ｕ，Ｃ２ｖ，Ｃ２ｗ，Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｌ１ｒ，Ｌ１ｓ，Ｌ１ｔ，Ｌ１ 第１リアクトル
Ｌ２ｕ，Ｌ２ｖ，Ｌ２ｗ，Ｌ２ 第２リアクトル
Ｓｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕ，Ｓｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗ，Ｓ 双方向スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の各相と負荷の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備えた電力変換部と、
前記複数の双方向スイッチを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
負荷側相間電圧のうち最大の相間電圧を、前記最大の相間電圧に対する相と交流電源側相間電圧のうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成し、前記負荷側相間電圧のうち中間の相間電圧を、前記中間の相間電圧に対する相と前記交流電源側相間電圧のうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成することを特徴とするマトリクスコンバータ。
【請求項２】
前記制御部は、
前記交流電源側の相電圧間の大小関係および前記交流電源側の中間の相電圧の正負に応じて前記双方向スイッチの接続制御処理の変更を行い、かつ、前記接続制御処理の変更を、前記変更前における前記双方向スイッチの接続状態のうち前記変更後における前記双方向スイッチの接続状態と一致する状態から行うことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項３】
前記制御部は、
前記負荷側の相電圧間の大小関係および前記負荷側の中間の相電圧の正負に応じて前記双方向スイッチの接続制御処理の変更を行い、かつ、前記接続制御処理の変更を、前記変更前における前記双方向スイッチの接続状態のうち前記変更後における前記双方向スイッチの接続状態と一致する状態から行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項４】
前記交流電源の各相と前記電力変換部との間にそれぞれ接続される複数の第１リアクトルと、
前記負荷の各相と前記電力変換部との間にそれぞれ接続された複数の第２リアクトルと、
前記電力変換部の交流電源側の各相間を、第１スイッチを介して接続する複数の第１コンデンサと、
前記電力変換部の負荷側の各相間を、第２スイッチを介して接続する複数の第２コンデンサと、
を備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチおよび前記双方向スイッチを制御して、前記交流電源側と前記負荷側との間の昇圧動作および降圧動作を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項５】
前記制御部は、
前記負荷側の相電圧間の大小関係に応じて前記双方向スイッチの接続制御処理の変更を行い、かつ、前記接続制御処理の変更を、前記変更前における前記双方向スイッチの接続状態のうち前記変更後における前記双方向スイッチの接続状態と一致する状態から行うか、又は前記双方向スイッチの接続状態を負荷側に電圧を出力しない状態から電圧を出力する状態に変更するときに行うか、又は前記双方向スイッチの接続状態を負荷側に電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに行うことを特徴とする請求項４に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項６】
前記制御部は、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのうち、昇圧側に接続されたスイッチをオンし、降圧側に接続されたスイッチをオフすることを特徴とする請求項４又は５に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項７】
前記制御部は、
前記昇圧動作および前記降圧動作のうち一方の動作から他方の動作への変更を、前記双方向スイッチの接続状態を前記負荷側に電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに行うことを特徴とする請求項４に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項８】
前記制御部は、
前記交流電源側相間電圧のうち最大の相間電圧および前記交流電源側相間電圧のうち中間の相間電圧を、前記交流電源側の相電圧の位相に、所定の位相差を加算した位相に基づき選択することを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項９】
前記制御部は、
前記交流電源側の相電圧間の大小関係および中間の相電圧の正負を、前記交流電源側の相電圧の位相に、所定の位相差を加算した位相に基づき判定することを特徴とする請求項２又は４に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項１】
交流電源の各相と負荷の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備えた電力変換部と、
前記複数の双方向スイッチを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
負荷側相間電圧のうち最大の相間電圧を、前記最大の相間電圧に対する相と交流電源側相間電圧のうち最大の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成し、前記負荷側相間電圧のうち中間の相間電圧を、前記中間の相間電圧に対する相と前記交流電源側相間電圧のうち中間の相間電圧が入力される相との接続を行う前記双方向スイッチを制御して生成することを特徴とするマトリクスコンバータ。
【請求項２】
前記制御部は、
前記交流電源側の相電圧間の大小関係および前記交流電源側の中間の相電圧の正負に応じて前記双方向スイッチの接続制御処理の変更を行い、かつ、前記接続制御処理の変更を、前記変更前における前記双方向スイッチの接続状態のうち前記変更後における前記双方向スイッチの接続状態と一致する状態から行うことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項３】
前記制御部は、
前記負荷側の相電圧間の大小関係および前記負荷側の中間の相電圧の正負に応じて前記双方向スイッチの接続制御処理の変更を行い、かつ、前記接続制御処理の変更を、前記変更前における前記双方向スイッチの接続状態のうち前記変更後における前記双方向スイッチの接続状態と一致する状態から行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項４】
前記交流電源の各相と前記電力変換部との間にそれぞれ接続される複数の第１リアクトルと、
前記負荷の各相と前記電力変換部との間にそれぞれ接続された複数の第２リアクトルと、
前記電力変換部の交流電源側の各相間を、第１スイッチを介して接続する複数の第１コンデンサと、
前記電力変換部の負荷側の各相間を、第２スイッチを介して接続する複数の第２コンデンサと、
を備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチおよび前記双方向スイッチを制御して、前記交流電源側と前記負荷側との間の昇圧動作および降圧動作を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項５】
前記制御部は、
前記負荷側の相電圧間の大小関係に応じて前記双方向スイッチの接続制御処理の変更を行い、かつ、前記接続制御処理の変更を、前記変更前における前記双方向スイッチの接続状態のうち前記変更後における前記双方向スイッチの接続状態と一致する状態から行うか、又は前記双方向スイッチの接続状態を負荷側に電圧を出力しない状態から電圧を出力する状態に変更するときに行うか、又は前記双方向スイッチの接続状態を負荷側に電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに行うことを特徴とする請求項４に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項６】
前記制御部は、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのうち、昇圧側に接続されたスイッチをオンし、降圧側に接続されたスイッチをオフすることを特徴とする請求項４又は５に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項７】
前記制御部は、
前記昇圧動作および前記降圧動作のうち一方の動作から他方の動作への変更を、前記双方向スイッチの接続状態を前記負荷側に電圧を出力する状態から電圧を出力しない状態に変更するときに行うことを特徴とする請求項４に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項８】
前記制御部は、
前記交流電源側相間電圧のうち最大の相間電圧および前記交流電源側相間電圧のうち中間の相間電圧を、前記交流電源側の相電圧の位相に、所定の位相差を加算した位相に基づき選択することを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項９】
前記制御部は、
前記交流電源側の相電圧間の大小関係および中間の相電圧の正負を、前記交流電源側の相電圧の位相に、所定の位相差を加算した位相に基づき判定することを特徴とする請求項２又は４に記載のマトリクスコンバータ。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２３９２６５（Ｐ２０１２−２３９２６５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５７０１（Ｐ２０１１−１０５７０１）
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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