JP2010093868A - 双方向電力変換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】電圧形と電流形との使い分けができ、これにより利便性を向上させることが可能な双方向電力変換器を提供する。
【解決手段】マトリクスコンバータＡによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器１０ａにおいて、直流電源Ｇａのプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方に直流側インダクタＬDを設け、交流ラインの各相Ｕ，Ｖ，Ｗに交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWを設け、直流側インダクタＬDと並列に直流側スイッチＳＷDを設け、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列にそれぞれ交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを設け、電流形として使用する場合、直流側スイッチＳＷDをオフとし、交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオンとし、電圧形として使用する場合、直流側スイッチＳＷDをオンとし、交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフとする。
【選択図】図２

Description

交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器に関する。
直流から交流或いは交流から直流へ電力を変換する電力変換器としては、電圧形のものと電流形のものとが知られている。このような電力変換器を用いたシステムを構築するにあたって、電圧形の電力変換器または電流形の電力変換器のどちらを選択するかは、通常、直流側の電圧と交流側の電圧との大小関係で決定される。すなわち、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が大きい場合には、電力変換器を電流形のものとし、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が小さい場合には、電力変換器を電圧形のものとする。
ところで、従来、交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器として、マトリクスコンバータを備えたものがある。
例えば、下記特許文献１には、各相の上下アームを、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチとしたマトリクスコンバータを備え、このマトリクスコンバータによって直流電源と交流機器との間で相互に電力を変換する双方向電力変換器が開示されている。
特開２００５−３４８５４４号公報
しかしながら、従来の双方向電力変換器では、交流−直流間で相互に電力変換を行う利点があるものの、電圧形であれば電圧形のみの構成を、また、電流形であれば電流形のみの構成をとり、一つの双方向電力変換器で電圧形と電流形との使い分けがなされていないのが実情である。例えば、特許文献１に記載の双方向電力変換器は、電圧形のみの構成のものである。
このため、例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が大きい（或いは小さい）場合において、電圧形（或いは電流形）の双方向電力変換器を用いるときには、直流側の電圧を交流側の電圧よりも昇圧（或いは降圧）した上で電圧形（或いは電流形）の双方向電力変換器に入力する必要があり、利便性に欠ける。
そこで、本発明は、電圧形と電流形との使い分けができ、これにより利便性を向上させることが可能な双方向電力変換器を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するため、次の第１態様から第４態様の双方向電力変換器を提供する。
（１）第１態様の双方向電力変換器
各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方に直流側インダクタを設け、交流ラインの各相或いは単相の場合は各相若しくは何れか一相に交流側インダクタを設け、前記直流側インダクタと並列に直流側スイッチを設け、前記交流側インダクタと並列にそれぞれ交流側スイッチを設け、電流形として使用する場合、前記直流側インダクタと並列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオンとし、電圧形として使用する場合、前記直流側インダクタと並列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
本発明に係る第１態様の双方向電力変換器では、前記直流側インダクタと並列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオンとするときには、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「直流側インダクタ」→「マトリクスコンバータ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
また、前記直流側インダクタと並列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオフとするときには、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「マトリクスコンバータ」→「交流側インダクタ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、本発明に係る第１態様の双方向電力変換器によれば、一つの双方向電力変換器を電流形、電圧形のいずれでも使用することが可能となり、これにより利便性の向上を図ることができる。
本発明に係る第１態様の双方向電力変換器は、例えば、系統連系用インバータとして好適に用いることができる。
（２）第２態様の双方向電力変換器
各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方にインダクタを設け、交流ラインの各相間にキャパシタを設けるか、または前記交流ラインの各相にＹ結線されたキャパシタを設け、前記インダクタと並列に直流側スイッチを設け、前記キャパシタと直列にそれぞれ交流側スイッチを設け、電流形として使用する場合、前記インダクタと並列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオンとし、電圧形として使用する場合、前記インダクタと並列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
本発明に係る第２態様の双方向電力変換器では、前記インダクタと並列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオンとするときには、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「インダクタ」→「マトリクスコンバータ」→「キャパシタ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
また、前記インダクタと並列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオフとするときには、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「マトリクスコンバータ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、本発明に係る第２態様の双方向電力変換器によれば、一つの双方向電力変換器を電流形、電圧形のいずれでも使用することが可能となり、これにより利便性の向上を図ることができる。
本発明に係る第２態様の双方向電力変換器は、直流から交流へ電力を変換するときは、例えば、モータ駆動用インバータとして、また、交流から直流へ電力を変換するときは、例えば、発電機整流用コンバータとして好適に用いることができる。
（３）第３態様の双方向電力変換器
各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方に直流側インダクタを設け、前記直流側インダクタと前記マトリクスコンバータとの間に、キャパシタと直流側スイッチよりなる直列回路を前記直流電源と並列に設け、交流ラインの各相或いは単相の場合は各相若しくは何れか一相に交流側インダクタを設け、前記交流側インダクタと並列にそれぞれ交流側スイッチを設け、電流形として使用する場合、前記キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオンとし、電圧形として使用する場合、前記キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
本発明に係る第３態様の双方向電力変換器では、前記キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオンとするときには、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「直流側インダクタ」→「マトリクスコンバータ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
また、前記キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオフとするときには、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「直流側インダクタ」→「キャパシタ」→「マトリクスコンバータ」→「交流側インダクタ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、本発明に係る第３態様の双方向電力変換器によれば、一つの双方向電力変換器を電流形、電圧形のいずれでも使用することが可能となり、これにより利便性の向上を図ることができる。
本発明に係る第３態様の双方向電力変換器は、例えば、系統連系用インバータとして好適に用いることができる。
（４）第４態様の双方向電力変換器
各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方にインダクタを設け、前記インダクタと前記マトリクスコンバータとの間に、直流側キャパシタと直流側スイッチよりなる直列回路を前記直流電源と並列に設け、交流ラインの各相間に交流側キャパシタと交流側スイッチよりなる直列回路を設けるか、または前記交流ラインの各相にＹ結線された交流側キャパシタと交流側スイッチよりなる直列回路を設け、電流形として使用する場合、前記直流側キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオンとし、電圧形として使用する場合、前記直流側キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
本発明に係る第４態様の双方向電力変換器では、前記直流側キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオンとするときには、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「インダクタ」→「マトリクスコンバータ」→「交流側キャパシタ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
また、前記直流側キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオフとするときには、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源」→「インダクタ」→「直流側キャパシタ」→「マトリクスコンバータ」→「交流側負荷」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、本発明に係る第４態様の双方向電力変換器によれば、一つの双方向電力変換器を電流形、電圧形のいずれでも使用することが可能となり、これにより利便性の向上を図ることができる。
本発明に係る第４態様の双方向電力変換器は、直流から交流へ電力を変換するときは、例えば、モータ駆動用インバータとして、また、交流から直流へ電力を変換するときは、例えば、発電機整流用コンバータとして好適に用いることができる。
本発明に係る第１態様から第４態様の双方向電力変換器において、電流形として使用する場合、直流側から交流側への電力供給を行うときは、前記マトリクスコンバータの各相の上アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの各相の下アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチをスイッチングする態様を例示できる。かかるスイッチング制御により、電流形として使用する場合において直流側から交流側への電力供給を良好に行うことができる。
本発明に係る第１態様から第４態様の双方向電力変換器において、電流形として使用する場合、交流側から直流側への電力供給を行うときは、前記マトリクスコンバータの各相の上アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの各相の下アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチをスイッチングする態様を例示できる。かかるスイッチング制御により、電流形として使用する場合において交流側から直流側への電力供給を良好に行うことができる。
本発明に係る第１態様から第４態様の双方向電力変換器において、電圧形として使用する場合、前記交流ラインのそれぞれ各相に流れる電流の向きに関して、直流側から交流側に向かう方向のときは、前記マトリクスコンバータの当該相の上アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの当該相の下アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オンとする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとし、交流側から直流側に向かう方向のときは、前記マトリクスコンバータの当該相の下アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの当該相の上アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オンとする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとする態様を例示できる。かかるスイッチング制御により、電圧形として使用する場合において双方向での電力変換を良好に行うことができる。
以上説明したように、本発明によると、電圧形と電流形との使い分けができ、これにより利便性を向上させることが可能な双方向電力変換器を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
（第１実施形態）
先ず、本発明の第１実施形態に係る双方向電力変換器を系統連系用インバータとして用いる場合を例にとって説明する。
図１は、第１実施形態に係る双方向電力変換器１０ａの概略構成を示す回路図である。図１に示す双方向電力変換器１０ａは、マトリクスコンバータＡと、該マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ａと、該マトリクスコンバータＡの交流側回路１２ａと、該双方向電力変換器１０ａ全体の制御を司る制御部１３ａとを備えている。
マトリクスコンバータＡは、本実施の形態では、三相のものとされており、アーム対Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３が三対並列に接続されている。
アーム対Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、それぞれ、上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３および下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４が直列に接続されている。
上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３および下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４は、いずれも、双方向スイッチより成っている。双方向スイッチＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６は、それぞれ、導通方向を互いに逆向きにして並列接続した１対のスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ），（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ），（Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ），（Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ），（Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ），（Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ）より成るものである。各スイッチＳ１ａ〜Ｓ６ａ，Ｓ１ｂ〜Ｓ６ｂは、ここでは、逆阻止形のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とされている。
なお、本明細書でいう上下アームのうち、上アームとは、直流電源のプラス端子側に接続されるアーム群（図１ではＣ１，Ｃ２，Ｃ３）を指し、下アームとは直流電源のマイナス端子側に接続されるアーム群（図１ではＣ６，Ｃ５，Ｃ４）を指す。
マトリクスコンバータＡの上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３および下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４は、制御部１３ａによって、通電状態（オン状態）と、非通電状態（オフ状態）との切替制御（スイッチング制御）が行われるようになっており、制御部１３ａの出力系に接続されている。
マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ａは、入力側に直流電源Ｇａが接続され且つ出力側にマトリクスコンバータＡが接続されている。直流電源Ｇａは、所望の直流出力が得られるものであれば、いずれのものでもよい。この直流電源Ｇａとしては、それには限定されないが、例えば、太陽電池、燃料電池、エンジンと発電機と整流器とを組み合わせたもの等を挙げることができる。
直流側回路１１ａは、直流電源Ｇａのプラス端子側およびマイナス端子側のうちの何れか少なくともの一方（ここではプラス端子側）に、その接続ラインに対して直列に接続された直流側インダクタＬDが設けられている。
そして、直流側インダクタＬDが設けられた接続ラインには、直流側インダクタＬDと並列に接続された直流側スイッチＳＷDが設けられている。この直流側スイッチＳＷDは、ここでは、リレースイッチとされている。直流側スイッチＳＷDは、制御部１３ａによって、スイッチング（オン／オフ）制御が行われるようになっており、制御部１３ａの出力系に接続されている。
マトリクスコンバータＡの交流側回路１２ａには、各アーム対Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の各アーム対Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３と下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４との間において、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相ラインＵ，Ｖ，Ｗを介して交流側負荷（ここでは三相系統）Ｅａが接続されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ラインＵ，Ｖ，Ｗには、それぞれ、該各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して直列接続された交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWが設けられている。
そして、各ラインＵ，Ｖ，Ｗには、それぞれ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列にそれぞれ接続された交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWが設けられている。この交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWは、ここでは、リレースイッチとされている。交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWは、制御部１３ａによって、スイッチング（オン／オフ）制御が行われるようになっており、制御部１３ａの出力系に接続されている。
なお、図示していないが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ラインＵ，Ｖ，Ｗにおいて、交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWに並列接続されたインダクタＬU，ＬV，ＬWと負荷Ｅａとの間に、それぞれ、該各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して並列接続されたキャパシタと該各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して該キャパシタよりも負荷側に直列接続されたインダクタとから成るフィルタを１または複数設けることもできる。後述する図５の第３実施形態の交流側回路１２ａについても同様である。
かかる構成を備えた双方向電力変換器１０ａでは、制御部１３ａによるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWへの制御が行われることによって、電力変換器１０ａを電圧形のものとするか或いは電流形のものとするかが適宜選択された状態で交流−直流間で相互に電力変換を行えるようなっている。
詳しくは、制御部１３ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、記憶部１５とを備えている。記憶部１５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５１およびＲＡＭ（Random Access Memory）１５２を含み、各種制御プログラムや必要な関数およびテーブルを記憶するようになっている。
制御部１３ａは、ＣＰＵ１４によって、スイッチング制御プログラムを記憶部１５から読み出し、該読み出したスイッチング制御プログラムを実行することで、マトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWのスイッチング制御を行うように構成されている。かかる構成は、後述する第２実施形態から第４実施形態の制御部１３ｂ〜１３ｄについても同様である。
図２は、第１実施形態の双方向電力変換器１０ａにおけるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWのスイッチング制御状態を示す図であって、図２（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示しており、図２（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示している。なお、図２において、制御部１３ａは図示を省略している。後述する図４、図６および図８についても同様である。
第１実施形態の双方向電力変換器１０ａでは、制御部１３ａは、入力系から入力された指示信号（例えば、電流形か電圧形かを選択的に切り換える図示しない切換スイッチ等の切換手段からの指示信号）に基づき、電流形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が大きい場合）には、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオフとし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオンとする（図２（ａ）参照）。
一方、電圧形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が小さい場合）には、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオンとし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフとする（図２（ｂ）参照）。
なお、制御部１０ａによらず、前記切換手段への直接的な人為操作によって電流形か電圧形かの切り換えを行ってもよい。また、制御部１０ａは、人為操作によらず、前記切換手段の電流形か電圧形かの切り換えを直流側および交流側にそれぞれ設けた電圧センサからの検出信号に基づき自動的に行ってもよい。これらのことは、後述する第２から第４実施形態の双方向電力変換器１０ｂ〜１０ｄについても同様である。
以上説明した第１実施形態の双方向電力変換器１０ａでは、図２（ａ）に示すように、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオフ（直流側インダクタＬDに電流が通過する状態）とし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオン（交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWに電流が通過しない状態）とすることで、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇａ」→「直流側インダクタＬD」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側系統Ｅａ」の回路構成を実現することが可能となる。
また、図２（ｂ）に示すように、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオン（直流側インダクタＬDに電流が通過しない状態）とし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフ（交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWに電流が通過する状態）とすることで、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇａ」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側インダクタＬU，ＬV，ＬW」→「交流側系統Ｅａ」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、第１実施形態の双方向電力変換器１０ａによれば、一つの双方向電力変換器１０ａで電流形と電圧形との使い分けが可能となり、これにより、システム設計の際に直流側の電圧と交流側の電圧との大小関係を意識にすることなく（例えば、直流側の電圧を昇圧或いは降圧するといった回路を設けることなく）容易に利用することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る双方向電力変換器について、直流から交流へ電力を変換するときは、モータ駆動用インバータとして、また、交流から直流へ電力を変換するときは、発電機整流用コンバータとして用いる場合を例にとって説明する。
図３は、第２実施形態に係る双方向電力変換器１０ｂの概略構成を示す回路図である。図３に示す双方向電力変換器１０ｂは、マトリクスコンバータＡと、該マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ａと、該マトリクスコンバータＡの交流側回路１２ｂと、該双方向電力変換器１０ｂ全体の制御を司る制御部１３ｂとを備えている。
以下、第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂについて、前記第１実施形態の双方向電力変換器１０ａとは異なる点を中心に説明する。なお、図３において、前記第１実施形態の双方向電力変換器１０ａの構成要素と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ａは、入力側に直流電源Ｇｂが接続され且つ出力側にマトリクスコンバータＡが接続されている。直流電源Ｇｂは、ここでは、充電可能な二次電池（蓄電池）やキャパシタなどである。
マトリクスコンバータＡの交流側回路１２ｂには、各アーム対Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の各上下アーム間において、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相ラインＵ，Ｖ，Ｗを介して交流側負荷（ここでは駆動源および発電機として作用する三相交流モータ）Ｅｂが接続されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ラインＵ，Ｖ，Ｗには、第１実施形態の交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWおよびスイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWに代えて、それぞれ、該各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して並列接続された（Ｙ結線された）、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWとからなる直列回路が設けられている。
なお、図示していないが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ラインＵ，Ｖ，Ｗにおいて、交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWに直列接続されたキャパシタＣU，ＣV，ＣWと負荷Ｅｂとの間に、それぞれ、該各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して直列接続されたインダクタと該各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して該インダクタよりも負荷側に並列接続されたキャパシタとから成るフィルタを１または複数設けることもできる。後述する図７の第４実施形態の交流側回路１２ｂについても同様である。
かかる構成を備えた双方向電力変換器１０ｂでは、制御部１３ｂによるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWへの制御が行われることによって、電力変換器１０ｂを電圧形のものとするか或いは電流形のものとするかが適宜選択された状態で交流−直流間で相互に電力変換を行えるようなっている。
図４は、第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂにおけるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWのスイッチング制御状態を示す図であって、図４（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示しており、図４（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示している。
第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂでは、制御部１３ｂは、電流形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が大きい場合）には、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオフとし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオンとする（図４（ａ）参照）。
一方、電圧形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が小さい場合）には、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオンとし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフとする（図４（ｂ）参照）。
以上説明した第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂでは、図４（ａ）に示すように、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオフ（直流側インダクタＬDに電流が通過する状態）とし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオン（交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWに電流が通過する状態）とすることで、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇｂ」→「直流側インダクタＬD」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣW」→「交流側モータＥｂ」の回路構成を実現することが可能となる。
また、図４（ｂ）に示すように、直流側インダクタＬDと並列な直流側スイッチＳＷDをオン（直流側インダクタＬDに電流が通過しない状態）とし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフ（交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWに電流が通過しない状態）とすることで、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇｂ」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側モータＥｂ」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂによれば、一つの双方向電力変換器１０ｂで電流形と電圧形との使い分けが可能となり、これにより、システム設計の際に直流側の電圧と交流側の電圧との大小関係を意識にすることなく（例えば、直流側の電圧を昇圧或いは降圧するといった回路を設けることなく）容易に利用することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る双方向電力変換器を系統連系用インバータとして用いる場合を例にとって説明する。
図５は、第３実施形態に係る双方向電力変換器１０ｃの概略構成を示す回路図である。図５に示す双方向電力変換器１０ｃは、マトリクスコンバータＡと、該マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ｂと、該マトリクスコンバータＡの交流側回路１２ａと、該双方向電力変換器１０ｃ全体の制御を司る制御部１３ｃとを備えている。
以下、第３実施形態の双方向電力変換器１０ｃについて、前記第１実施形態の双方向電力変換器１０ａとは異なる点を中心に説明する。なお、図５において、前記第１実施形態の双方向電力変換器１０ａの構成要素と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ｂは、入力側に直流電源Ｇａが接続され且つ出力側にマトリクスコンバータＡが接続されている。
直流側回路１１ｂは、直流電源Ｇａのプラス端子側およびマイナス端子側のうちの何れか少なくともの一方（ここではプラス端子側）に、その接続ラインに対して直列に接続された直流側インダクタＬDが設けられている。
また、直流側インダクタＬDとマトリクスコンバータＡとの間に、直流電源Ｇａと並列に接続された直列回路Ｆが設けられている。直列回路Ｆは、直流側キャパシタＣDと直流側スイッチＳＷDとを直列接続したものである。
かかる構成を備えた双方向電力変換器１０ｃでは、制御部１３ｃによるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWへの制御が行われることによって、電力変換器１０ｃを電圧形のものとするか或いは電流形のものとするかが適宜選択された状態で交流−直流間で相互に電力変換を行えるようなっている。
図６は、第３実施形態の双方向電力変換器１０ｃにおけるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWのスイッチング制御状態を示す図であって、図６（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示しており、図６（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示している。
第３実施形態に係る双方向電力変換器１０ｃでは、制御部１３ｃは、電流形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が大きい場合）には、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオフとし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオンとする（図６（ａ）参照）。
一方、電圧形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が小さい場合）には、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオンとし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフとする（図６（ｂ）参照）。
以上説明した第３実施形態の双方向電力変換器１０ｃでは、図６（ａ）に示すように、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオフ（直流側キャパシタＣDに電流が通過しない状態）とし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオン（交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWに電流が通過しない状態）とすることで、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇａ」→「直流側インダクタＬD」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側系統Ｅａ」の回路構成を実現することが可能となる。
また、図６（ｂ）に示すように、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオン（直流側キャパシタＣDに電流が通過する状態）とし、かつ、交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWと並列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフ（交流側インダクタＬU，ＬV，ＬWに電流が通過する状態）とすることで、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇａ」→「直流側インダクタＬD」→「直流側キャパシタＣD」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側インダクタＬU，ＬV，ＬW」→「交流側系統Ｅａ」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、第３実施形態の双方向電力変換器１０ｃによれば、第１および第２実施形態と同様、一つの双方向電力変換器１０ｃで電流形と電圧形との使い分けが可能となる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る双方向電力変換器について、直流から交流へ電力を変換するときは、モータ駆動用インバータとして、また、交流から直流へ電力を変換するときは、発電機整流用コンバータとして用いる場合を例にとって説明する。
図７は、第４実施形態に係る双方向電力変換器１０ｄの概略構成を示す回路図である。図７に示す双方向電力変換器１０ｄは、マトリクスコンバータＡと、該マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ｂと、該マトリクスコンバータＡの交流側回路１２ｂと、該双方向電力変換器１０ｄ全体の制御を司る制御部１３ｄとを備えている。
以下、第４実施形態の双方向電力変換器１０ｄについて、前記第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂとは異なる点を中心に説明する。なお、図７において、前記第２実施形態の双方向電力変換器１０ｂの構成要素と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
マトリクスコンバータＡの直流側回路１１ｂは、入力側に直流電源Ｇｂが接続され且つ出力側にマトリクスコンバータＡが接続されている。
直流側回路１１ｂは、直流電源Ｇｂのプラス端子側およびマイナス端子側のうちの何れか少なくともの一方（ここではプラス端子側）に、その接続ラインに対して直列に接続された直流側インダクタＬDが設けられている。
また、直流側インダクタＬDとマトリクスコンバータＡとの間に、直流電源Ｇｂと並列に接続された直列回路Ｆが設けられている。直列回路Ｆは、直流側キャパシタＣDと直流側スイッチＳＷDとを直列接続したものである。
かかる構成を備えた双方向電力変換器１０ｄでは、制御部１３ｄによるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWへの制御が行われることによって、電力変換器１０ｄを電圧形のものとするか或いは電流形のものとするかが適宜選択された状態で交流−直流間で相互に電力変換を行えるようなっている。
図８は、第４実施形態の双方向電力変換器１０ｄにおけるマトリクスコンバータＡの各アーム並びに直流側スイッチＳＷDおよび交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWのスイッチング制御状態を示す図であって、図８（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示しており、図８（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示している。
第４実施形態の双方向電力変換器１０ｄでは、制御部１３ｄは、電流形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が大きい場合）には、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオフとし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオンとする（図８（ａ）参照）。
一方、電圧形として使用する場合（例えば、直流側の電圧に比べて交流側の電圧が小さい場合）には、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオンとし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフとする（図８（ｂ）参照）。
以上説明した第４実施形態の双方向電力変換器１０ｄでは、図８（ａ）に示すように、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオフ（直流側キャパシタＣDに電流が通過しない状態）とし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオン（交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWに電流が通過する状態）とすることで、電流形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇｂ」→「直流側インダクタＬD」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣW」→「交流側モータＥｂ」の回路構成を実現することが可能となる。
また、図８（ｂ）に示すように、直流側キャパシタＣDと直列な直流側スイッチＳＷDをオン（直流側キャパシタＣDに電流が通過する状態）とし、かつ、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと直列な交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWを全てオフ（交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWに電流が通過しない状態）とすることで、電圧形として構成すべき回路構成、すなわち直流側から交流側へ「直流電源Ｇｂ」→「直流側インダクタＬD」→「直流側キャパシタＣD」→「マトリクスコンバータＡ」→「交流側モータＥｂ」の回路構成を実現することが可能となる。
このように、第４実施形態の双方向電力変換器１０ｄによれば、第１から第３実施形態と同様、一つの双方向電力変換器１０ｄで電流形と電圧形との使い分けが可能となる。
次に、第１実施形態から第４実施形態の双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄにおいて、電流形とした場合でのマトリクスコンバータＡのスイッチング動作、および電圧形とした場合でのマトリクスコンバータＡのスイッチング動作について、図２、図４、図６および図８を参照しながら以下に説明する。
［電流形として使用する場合］
図２（ａ）および図６（ａ）は、直流側から交流側への電力供給を行う場合でのマトリクスコンバータＡのスイッチング動作を示している。また、図４（ａ）および図８（ａ）は、交流側から直流側への電力供給を行う場合でのマトリクスコンバータＡのスイッチング動作を示している。
第１実施形態から第４実施形態の双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄにおいて、制御部１３ａ〜１３ｄは、図２（ａ）および図６（ａ）に示すように、直流側から交流側における各相のラインＵ，Ｖ，Ｗのうちいずれかのラインへの電力供給を行うときは、対応するラインＵ，Ｖ，Ｗの上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構成するスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ），（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ），（Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ）のうち、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ３ａをスイッチングする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを常時オフとし、かつ、下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４を構成するスイッチ（Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ），（Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ），（Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ）のうち、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ６ａ，Ｓ５ａ，Ｓ４ａを常時オフとする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ６ｂ，Ｓ５ｂ，Ｓ４ｂをスイッチングする。
なお、図４（ａ）および図８（ａ）に示す構成においても、図示していないが、直流側から交流側への電力供給を行うときは、図２（ａ）および図６（ａ）に示すスイッチング動作と同様の動作が行われる。
一方、図４（ａ）および図８（ａ）に示すように、交流側における各相のラインＵ，Ｖ，Ｗのうちいずれかのラインから直流側への電力供給を行うときは、対応するラインＵ，Ｖ，Ｗの上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構成するスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ），（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ），（Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ）のうち、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂをスイッチングする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ３ａを常時オフとし、かつ、下アーム（Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ），（Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ），（Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ）を構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ６ｂ，Ｓ５ｂ，Ｓ４ｂを常時オフとする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ６ａ，Ｓ５ａ，Ｓ４ａをスイッチングする。
なお、図２（ａ）および図６（ａ）に示す構成においても、図示していないが、交流側から直流側への電力供給を行うときは、図４（ａ）および図８（ａ）に示すスイッチング動作と同様の動作が行われる。
このように、双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄを電流形とした回路構成に基づき、電力を供給する方向に応じてマトリクスコンバータＡにおける各スイッチの導通する方向を考慮したスイッチング制御を行うことで、電流形動作モードにおいて直流側から交流側或いは交流側から直流側への電力供給（ここでは、第１および第３実施形態での系統Ｅａとの連系、第２および第４実施形態でのモータＥｂの駆動或いは蓄電池やキャパシタＧｂへの充電）を良好に行うことが可能となる。
［電圧形として使用する場合］
図２（ｂ）および図６（ｂ）は、各相のラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の向きが直流側から交流側に向かう方向の場合でのマトリクスコンバータＡのスイッチング動作を示している。また、図４（ｂ）および図８（ｂ）は、各相のラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の向きが交流側から直流側に向かう方向の場合でのマトリクスコンバータＡのスイッチング動作を示している。
第１実施形態から第４実施形態の双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄにおいて、制御部１３ａ〜１３ｄは、交流側における各相のラインＵ，Ｖ，Ｗのそれぞれのラインに流れる電流の向きに関して、図２（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、直流側から交流側に向かう方向のときは、対応するラインＵ，Ｖ，Ｗの上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構成するスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ），（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ），（Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ）のうち、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ６ａ，Ｓ５ａ，Ｓ４ａをスイッチングする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ６ｂ，Ｓ５ｂ，Ｓ４ｂを常時オフとし、かつ、下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４を構成するスイッチ（Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ），（Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ），（Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ）のうち、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ６ａ，Ｓ５ａ，Ｓ４ａを常時オンとする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ６ｂ，Ｓ５ｂ，Ｓ４ｂを常時オフとする。
なお、図４（ｂ）および図８（ｂ）に示す構成においても、図示していないが、各相のラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の向きが直流側から交流側に向かう方向のときは、図２（ｂ）および図６（ｂ）に示すスイッチング動作と同様の動作が行われる。
一方、図４（ｂ）および図８（ｂ）に示すように、交流側から直流側に向かう方向のときは、対応するラインＵ，Ｖ，Ｗの下アームＣ６，Ｃ５，Ｃ４を構成するスイッチ（Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ），（Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ），（Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ）のうち、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ６ｂ，Ｓ５ｂ，Ｓ４ｂをスイッチングする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ６ａ，Ｓ５ａ，Ｓ４ａを常時オフとし、かつ、上アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構成するスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ），（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ），（Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ）のうち、交流側から直流側へ導通するスイッチＳ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを常時オンとする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチＳ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ３ａを常時オフとする。
なお、図２（ｂ）および図６（ｂ）に示す構成においても、図示していないが、各相のラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の向きが交流側から直流側に向かう方向のときは、図４（ｂ）および図８（ｂ）に示すスイッチング動作と同様の動作が行われる。
ここで、電圧形として使用する場合、制御部１３ａ〜１３ｄによる各相のラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の向きの識別は、例えば、各ラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流を検知する電流センサ（図示せず）の検出値や、スイッチング制御構成から判断できる各ラインＵ，Ｖ，Ｗに流す電流の向きを認識することで行うことができる。
このように、双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄを電圧形とした回路構成に基づき、各ラインＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の方向に応じてマトリクスコンバータＡにおける各スイッチの導通する方向を考慮したスイッチング制御を行うことで、電圧形動作モードにおいて双方向での電力変換（ここでは、第１および第３実施形態での系統Ｅａとの連系、第２および第４実施形態でのモータＥｂの駆動或いは蓄電池やキャパシタＧｂへの充電）を良好に行うことが可能となる。
なお、第１実施形態から第４実施形態の双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄに用いた双方向スイッチＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６の各スイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ）〜（Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ）は、逆阻止形のＩＧＢＴとしたが、図９に示すように、ＩＧＢＴ１００に対して該ＩＧＢＴ１００におけるダイオード１１０の導通方向とは逆方向になるように直列にダイオード２００を接続した逆阻止特性を示すＩＧＢＴや逆阻止特性を示す別の半導体素子としてもよい。
また、第１実施形態から第４実施形態の双方向電力変換器１０ａ〜１０ｄは、三相構成のものであるが、それ以外の相構成、例えば、単相構成のものとしてもよい。この単相構成の場合、第１および第３実施形態の双方向電力変換器１０ａ，１０ｃにおいて、交流側インダクタを各相若しくは何れか一相に設けることができる。
また、第２実施形態および第４実施形態の双方向電力変換器１０ｂ，１０ｄにおいて、交流ラインの各相Ｕ，Ｖ，ＷにＹ結線された、交流側キャパシタＣU，ＣV，ＣWと交流側スイッチＳＷU，ＳＷV，ＳＷWとからなる直列回路を設けているが、それに代えて、交流ラインの各相Ｕ，Ｖ間、各相Ｖ，Ｗ間、各相Ｗ，Ｕ間に、かかる直列回路を設けてもよい。
第１実施形態に係る双方向電力変換器の概略構成を示す回路図である。 第１実施形態の双方向電力変換器におけるマトリクスコンバータの各アーム並びに直流側スイッチおよび交流側スイッチのスイッチング制御状態を示す図であって、図（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図であり、図（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図である。 第２実施形態に係る双方向電力変換器の概略構成を示す回路図である。 第２実施形態の双方向電力変換器におけるマトリクスコンバータの各アーム並びに直流側スイッチおよび交流側スイッチのスイッチング制御状態を示す図であって、図（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図であり、図（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図である。 第３実施形態に係る双方向電力変換器の概略構成を示す回路図である。 第３実施形態の双方向電力変換器におけるマトリクスコンバータの各アーム並びに直流側スイッチおよび交流側スイッチのスイッチング制御状態を示す図であって、図（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図であり、図（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図である。 第４実施形態に係る双方向電力変換器の概略構成を示す回路図である。 第４実施形態の双方向電力変換器におけるマトリクスコンバータの各アーム並びに直流側スイッチおよび交流側スイッチのスイッチング制御状態を示す図であって、図（ａ）は、電流形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図であり、図（ｂ）は、電圧形として使用する場合のスイッチング制御状態を示す図である。 第１実施形態から第４実施形態の双方向電力変換器に用いた双方向スイッチにおける各スイッチの他の例を示す図である。
符号の説明
１０ａ 双方向電力変換器
Ａ マトリクスコンバータ
Ｃ１〜Ｃ４ 双方向スイッチ
Ｃ１〜Ｃ３ 上アーム
Ｃ４〜Ｃ６ 下アーム
ＣD 直流側キャパシタ
ＣU，ＣV，ＣW 交流側キャパシタ
Ｇａ 直流電源
ＬD 直流側インダクタ
ＬU，ＬV，ＬW 交流側インダクタ
Ｓ１ａ〜Ｓ６ａ 双方向スイッチの一方
Ｓ１ｂ〜Ｓ６ｂ 双方向スイッチの他方
ＳＷD 直流側スイッチ
ＳＷU，ＳＷV，ＳＷW 交流側スイッチ
Ｕ，Ｖ，Ｗ 交流側の各相のライン

Claims (7)

  1. 各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、
    直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方に直流側インダクタを設け、
    交流ラインの各相或いは単相の場合は各相若しくは何れか一相に交流側インダクタを設け、
    前記直流側インダクタと並列に直流側スイッチを設け、
    前記交流側インダクタと並列にそれぞれ交流側スイッチを設け、
    電流形として使用する場合、前記直流側インダクタと並列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオンとし、
    電圧形として使用する場合、前記直流側インダクタと並列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
  2. 各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、
    直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方にインダクタを設け、
    交流ラインの各相間にキャパシタを設けるか、または前記交流ラインの各相にＹ結線されたキャパシタを設け、
    前記インダクタと並列に直流側スイッチを設け、
    前記キャパシタと直列にそれぞれ交流側スイッチを設け、
    電流形として使用する場合、前記インダクタと並列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオンとし、
    電圧形として使用する場合、前記インダクタと並列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
  3. 各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、
    直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方に直流側インダクタを設け、
    前記直流側インダクタと前記マトリクスコンバータとの間に、キャパシタと直流側スイッチよりなる直列回路を前記直流電源と並列に設け、
    交流ラインの各相或いは単相の場合は各相若しくは何れか一相に交流側インダクタを設け、
    前記交流側インダクタと並列にそれぞれ交流側スイッチを設け、
    電流形として使用する場合、前記キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオンとし、
    電圧形として使用する場合、前記キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側インダクタと並列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
  4. 各相の上下アームとして、それぞれ、導通方向が互いに逆向きの１対のスイッチよりなる双方向スイッチを使用するマトリクスコンバータによって交流−直流間で相互に電力変換を行う双方向電力変換器において、
    直流側に接続される直流電源のプラス端子側およびマイナス端子側の両方またはこれらの一方にインダクタを設け、
    前記インダクタと前記マトリクスコンバータとの間に、直流側キャパシタと直流側スイッチよりなる直列回路を前記直流電源と並列に設け、
    交流ラインの各相間に交流側キャパシタと交流側スイッチよりなる直列回路を設けるか、または前記交流ラインの各相にＹ結線された交流側キャパシタと交流側スイッチよりなる直列回路を設け、
    電流形として使用する場合、前記直流側キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオフとし、かつ、前記交流側キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオンとし、
    電圧形として使用する場合、前記直流側キャパシタと直列な前記直流側スイッチをオンとし、かつ、前記交流側キャパシタと直列な前記交流側スイッチを全てオフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
  5. 請求項１から４の何れか一つに記載の双方向電力変換器において、
    電流形として使用する場合、直流側から交流側への電力供給を行うときは、
    前記マトリクスコンバータの各相の上アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの各相の下アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチをスイッチングすることを特徴とする双方向電力変換器。
  6. 請求項１から４の何れか一つに記載の双方向電力変換器において、
    電流形として使用する場合、交流側から直流側への電力供給を行うときは、
    前記マトリクスコンバータの各相の上アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの各相の下アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチをスイッチングすることを特徴とする双方向電力変換器。
  7. 請求項１から４の何れか一つに記載の双方向電力変換器において、
    電圧形として使用する場合、前記交流ラインのそれぞれ各相に流れる電流の向きに関して、
    直流側から交流側に向かう方向のときは、前記マトリクスコンバータの当該相の上アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの当該相の下アームを構成するスイッチのうち、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オンとする一方、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オフとし、
    交流側から直流側に向かう方向のときは、前記マトリクスコンバータの当該相の下アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチをスイッチングする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとし、かつ、前記マトリクスコンバータの当該相の上アームを構成するスイッチのうち、交流側から直流側へ導通するスイッチを常時オンとする一方、直流側から交流側へ導通するスイッチを常時オフとすることを特徴とする双方向電力変換器。
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