本發(fā)明涉及一種用于從DC功率生成三相AC功率的三相AC電源設(shè)備，并且涉及一種用于其的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。

背景技術(shù)：

通過DC/DC轉(zhuǎn)換器升高從DC電源輸入的DC電壓、通過逆變器將所得的電壓轉(zhuǎn)換成AC電壓，并且輸出AC電壓的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備常被使用于獨(dú)立電源、UPS(不間斷電源)等。在這樣的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，DC/DC轉(zhuǎn)換器不斷地執(zhí)行開關(guān)操作，并且逆變器也不斷地執(zhí)行開關(guān)操作。

此外，通過使用三相逆變器，能夠?qū)C電源的電壓轉(zhuǎn)換成三相AC電壓(例如，參見專利文獻(xiàn)1(圖7))。

圖25是在從DC電源向三相AC負(fù)載供電的情形下所使用的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的電路圖的示例。在圖25中，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備200在從DC電源201所接收的DC功率的基礎(chǔ)上生成AC功率，并且向三相AC負(fù)載220供電。

功率轉(zhuǎn)換設(shè)備220包括：電容器202；例如，三個升壓電路203；平滑電路205，用于平滑DC總線204的電壓；三相逆變器電路207；以及三對AC電抗器208至210與電容器211至213。通過將兩個電容器206串聯(lián)連接以便獲得耐壓性能并且將六組這樣的兩個電容器206并聯(lián)連接以便獲得電容，形成平滑電路205。例如，平滑電路的電容作為整體為若干mF。

升壓電路203升高已由隔離變壓器203t通過開關(guān)而具有高頻的電壓，并且然后整流升高的電壓。三個升壓電路203被并聯(lián)連接至共同的DC總線204。三個升壓電路203的輸出通過具有大電容的平滑電路205來平滑，以變成DC總線204的電壓。該電壓經(jīng)由三相逆變器電路207來進(jìn)行開關(guān)，由此生成包括高頻分量的三相AC電壓。通過AC電抗器208至210以及電容器211至213來消除高頻分量，由此獲得能夠提供給三相AC負(fù)載220的三相AC電壓(功率)。三相AC負(fù)載220的線間電壓是400V。

在此，DC總線204的電壓需要等于或者高于AC400V的波峰值，其為400×(2^1/2)，即約566V，但考慮到一些余量而被設(shè)定于600V。在DC總線204的電壓是600V的情形下，當(dāng)三相逆變器電路207中的開關(guān)元件被關(guān)閉時，由于浮動電感的諧振以及開關(guān)元件的電容，遠(yuǎn)超過600V的電壓被應(yīng)用于開關(guān)元件。因此，為了可靠地防止開關(guān)元件的絕緣擊穿，例如，需要1200V的耐壓性能，這是DC總線的電壓的兩倍高。此外，平滑電路205也需要1200V的耐壓性能，并且在圖25的配置中，每個電容器都需要600V的耐壓性能。

引用列表

[專利文獻(xiàn)]

專利文獻(xiàn)1：日本專利號5260092

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

[技術(shù)問題]

在如上所述的常規(guī)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，需要在轉(zhuǎn)換效率方面作出進(jìn)一步改善。為了提高轉(zhuǎn)換效率，減少開關(guān)損耗是有效的。一般而言，DC總線的電壓越高，則開關(guān)損耗等越大。因此，問題在于，如何減小DC總線的電壓。此外，還期望通過減小電壓以外的方式來減少開關(guān)損耗以及其他功率損耗。

鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于，減少由于在用于將從DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成三相AC電壓的三相AC電源設(shè)備中以及為此所使用的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的轉(zhuǎn)換所致的功率損耗。

[問題的解決方案]

本發(fā)明提供一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，用于將從DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成三相AC電壓，該功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括：第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于三相AC的中性點(diǎn)的第一相的具有AC波形的電壓；第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第二相的具有AC波形的電壓；第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第三相的具有AC波形的電壓；以及控制單元，其被配置成控制所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，

所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備中的每一個包括：第一轉(zhuǎn)換單元，其具有包括隔離變壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器以及平滑電容器，所述第一轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述控制單元，將所輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成包含脈動電流波形的電壓，所述電壓對應(yīng)于通過在作為待輸出的AC波形的基波上疊加三次諧波所獲得的電壓的絕對值；以及第二轉(zhuǎn)換單元，其被設(shè)置在所述第一轉(zhuǎn)換單元之后的級并且具有全橋逆變器，所述第二轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述全橋逆變器的所述控制單元，在每一個周期反轉(zhuǎn)包含所述脈動電流波形的電壓的極性，由此將所述電壓轉(zhuǎn)換成具有所述AC波形的電壓。

此外，本發(fā)明提供一種三相AC電源設(shè)備，包括：DC電源；第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于三相AC的中性點(diǎn)的第一相的具有AC波形的電壓；第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第二相的具有AC波形的電壓；第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第三相的具有AC波形的電壓；以及控制單元，其被配置成控制所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，

所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備中的每一個包括：第一轉(zhuǎn)換單元，其具有包括隔離變壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器以及平滑電容器，所述第一轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述控制單元，將所輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成包含脈動電流波形的電壓，所述電壓對應(yīng)于通過在作為待輸出的AC波形的基波上疊加三次諧波所獲得的電壓的絕對值；以及第二轉(zhuǎn)換單元，其被設(shè)置在所述第一轉(zhuǎn)換單元之后的級并且具有全橋逆變器，所述第二轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述全橋逆變器的所述控制單元，在每一個周期反轉(zhuǎn)包含所述脈動電流波形的電壓的極性，由此將所述電壓轉(zhuǎn)換成具有所述AC波形的電壓。

[發(fā)明的有益效果]

本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備以及三相AC電源設(shè)備能夠減少因轉(zhuǎn)換所致的功率損耗。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的三相AC電源設(shè)備的電路圖。

圖2是詳細(xì)示出用于圖1中的一個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備的內(nèi)部電路的示圖。

圖3是示出用于全橋電路的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。

圖4是示出生成柵極驅(qū)動脈沖的方式的示例的示圖。

圖5是示出生成用于第一轉(zhuǎn)換單元中的輸出波形的命令值的方式的曲線圖。

圖6示出用于第一轉(zhuǎn)換單元的輸出波形的命令值(理想值)的四個周期，以及實(shí)際輸出的輸出波形的四個周期。

圖7示出用于構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元的全橋逆變器的開關(guān)元件的柵極驅(qū)動脈沖。

圖8是示出輸出的AC電壓V_AC的曲線圖，其中，(a)示出目標(biāo)電壓(理想值)，并且(b)示出由電壓傳感器實(shí)際檢測到的AC電壓V_AC。

圖9是波形圖，其中，(a)示出從功率轉(zhuǎn)換設(shè)備輸出的U、V、W的相電壓，并且(b)示出應(yīng)用于三相AC負(fù)載的U-V、V-W、W-U的線間電壓。

圖10是示出用于全橋電路的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。

圖11是示出生成用于第一轉(zhuǎn)換單元中的輸出波形的命令值的方式的另一示例的曲線圖，其中，橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。

圖12是曲線圖，其中，(a)示出用于第一轉(zhuǎn)換單元的輸出波形的命令值(理想值)的四個周期，并且(b)示出實(shí)際輸出的輸出波形的四個周期。

圖13是示出輸出的AC電壓V_AC的曲線圖，其中，(a)示出目標(biāo)電壓(理想值)，并且(b)示出由電壓傳感器實(shí)際檢測到的AC電壓V_AC。

圖14是波形圖，其中，(a)示出從功率轉(zhuǎn)換設(shè)備輸出的U、V、W的相電壓，并且(b)示出應(yīng)用于三相AC負(fù)載的U-V、V-W、W-U的線間電壓。

圖15是示出根據(jù)第二實(shí)施例的三相AC電源設(shè)備的電路圖。

圖16是詳細(xì)示出用于圖15中的一個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備的內(nèi)部電路的示圖。

圖17是示出用于全橋電路的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。

圖18是曲線圖，其中，(a)示出用于由圖17中的柵極驅(qū)動脈沖所獲得的第一轉(zhuǎn)換單元的輸出波形的命令值(理想值)，并且(b)示出在電容器的兩端之間實(shí)際出現(xiàn)的脈動電流波形的電壓。

圖19是曲線圖，其中，(a)示出通過在與圖18中的(b)相同的曲線圖上額外用虛線描繪過零點(diǎn)附近的目標(biāo)電壓的波形所獲得的曲線圖，并且(b)和(c)示出用于構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元的全橋逆變器的開關(guān)元件的柵極驅(qū)動脈沖。

圖20是示出從第二轉(zhuǎn)換單元經(jīng)由由AC電抗器以及電容器組成的濾波器電路所輸出的AC電壓V_AC的曲線圖。

圖21是示出用于全橋電路的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。

圖22是曲線圖，其中，(a)示出用于由圖17中的柵極驅(qū)動脈沖所獲得的第一轉(zhuǎn)換單元的輸出波形的命令值(理想值)的另一示例，并且(b)示出在電容器的兩端之間實(shí)際出現(xiàn)的脈動電流波形的電壓。

圖23是示出從第二轉(zhuǎn)換單元經(jīng)由由AC電抗器以及電容器組成的濾波器電路所輸出的AC電壓V_AC的曲線圖。

圖24是根據(jù)第三實(shí)施例的用于三相AC電源設(shè)備以及功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的一個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備的電路圖。

圖25是在從DC電源向三相AC負(fù)載供電的情形下所使用的常規(guī)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的電路圖的示例。

具體實(shí)施方式

[實(shí)施例的概述]

本發(fā)明的實(shí)施例的概述至少包括以下方面。

(1)這是一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，用于將從DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成三相AC電壓，該功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括：第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于三相AC的中性點(diǎn)的第一相的具有AC波形的電壓；第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第二相的具有AC波形的電壓；第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第三相的具有AC波形的電壓；以及控制單元，其被配置成控制所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，

所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備中的每一個包括：第一轉(zhuǎn)換單元，其具有包括隔離變壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器以及平滑電容器，所述第一轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述控制單元，將所輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成包含脈動電流波形的電壓，所述電壓對應(yīng)于通過在作為待輸出的AC波形的基波上疊加三次諧波所獲得的電壓的絕對值；以及第二轉(zhuǎn)換單元，其被設(shè)置在所述第一轉(zhuǎn)換單元之后的級并且具有全橋逆變器，所述第二轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述全橋逆變器的所述控制單元，在每一個周期反轉(zhuǎn)包含所述脈動電流波形的電壓的極性，由此將所述電壓轉(zhuǎn)換成具有所述AC波形的電壓。

在上述(1)的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，由于轉(zhuǎn)換設(shè)備(第一相、第二相、第三相)被提供用于相應(yīng)相并且輸出相電壓，待從每個轉(zhuǎn)換設(shè)備輸出的電壓V_AC(有效值)是三相AC的線間電壓的1/(3^1/2)。對于DC總線的電壓V_B，電壓V_AC的波峰值是足夠的，即V_B＝(2^1/2)·V_AC。作為結(jié)果，與由單個三相逆變器供給線間電壓的情形相比，DC總線的電壓降低。此外，由于通過疊加三次諧波來減小波峰值的作用，DC總線的電壓進(jìn)一步降低。

由于DC總線中的電壓下降，開關(guān)元件中的開關(guān)損耗減少。此外，即便在設(shè)備中提供電抗器的情形下，其鐵損也有所減少。更進(jìn)一步，對于連接至DC總線的開關(guān)元件以及平滑電容器，即使是具有低耐壓性能的那些也能夠被使用。具有低耐壓性能的開關(guān)元件具有較低的接通電阻，因此傳導(dǎo)損耗能夠減少。

在如上所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，雖然第一轉(zhuǎn)換單元的硬件配置是DC/DC轉(zhuǎn)換器，但DC電壓被轉(zhuǎn)換成不只是DC電壓，而是包含對應(yīng)于AC波形的絕對值的脈動電流波形的電壓。因此，作為AC波形的基礎(chǔ)的波形由第一轉(zhuǎn)換單元來生成。然后，第二轉(zhuǎn)換單元在每一個周期反轉(zhuǎn)包含脈動電流波形的電壓的極性，由此將電壓轉(zhuǎn)換成AC波形的目標(biāo)電壓。在該情形下在第二轉(zhuǎn)換單元的全橋逆變器中進(jìn)行開關(guān)的次數(shù)與在常規(guī)的逆變器操作中的開關(guān)次數(shù)相比大幅減少，并且在開關(guān)時的電壓低。因此，在第二轉(zhuǎn)換單元中的開關(guān)損耗大幅度減少。即便在第二轉(zhuǎn)換單元中提供電抗器的情形下，其鐵損也有所減少。更進(jìn)一步，第一轉(zhuǎn)換單元的電容器僅平滑高頻電壓變化，而并不平滑具有低頻的脈動電流波形。因此，有可能使用低電容的電容器。

(2)在(1)的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，第一轉(zhuǎn)換單元可以連續(xù)地將DC電壓轉(zhuǎn)換成具有脈動電流波形的電壓。

在該情形下，以半個周期作為AC波形的基礎(chǔ)的波形完全由第一轉(zhuǎn)換單元來生成，并且第二轉(zhuǎn)換單元僅以待輸出AC波形的頻率的兩倍的頻率來執(zhí)行極性反轉(zhuǎn)。也就是說，第二轉(zhuǎn)換單元并不伴隨高頻開關(guān)而執(zhí)行逆變器操作。因此，在第二轉(zhuǎn)換單元的輸出側(cè)上無需AC電抗器，因此能夠消除歸因于AC電抗器的損耗。

(3)在(1)的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，在從第一轉(zhuǎn)換單元所輸出的電壓等于或者低于脈動電流波形的波峰值的預(yù)定比例的時間段期間，控制單元可以使得全橋逆變器以高頻執(zhí)行逆變器操作，由此在該時間段生成具有AC波形的電壓。

電壓等于或者低于脈動電流波形的波峰值的預(yù)定比例的時間段意指目標(biāo)電壓的過零點(diǎn)附近。也就是說，在該情形下，在目標(biāo)電壓的過零點(diǎn)附近，第二轉(zhuǎn)換單元促使AC波形的生成，并且在其他區(qū)域中，第一轉(zhuǎn)換單元促使AC波形的生成。在整個區(qū)域中的脈動電流波形僅由第一轉(zhuǎn)換單元來生成的情形下，過零點(diǎn)附近的波形有可能失真。然而，通過在本地使用第二轉(zhuǎn)換單元的逆變器操作，防止波形發(fā)生這樣的失真，并且能夠獲得更平滑的AC波形的輸出。使得第二轉(zhuǎn)換單元執(zhí)行逆變器操作的時間段短，因此損耗小于常規(guī)的逆變器操作中的。此外，歸因于AC電抗器的損耗也更小。

(4)在(3)中的預(yù)定比例優(yōu)選為18％至35％。

在該情形下，有可能防止過零點(diǎn)附近的波形失真，并且充分獲得損耗減少的效果。例如，如果“預(yù)定比例”低于18％，則存在過零點(diǎn)附近的左邊失真的可能性。如果“預(yù)定比例”高于35％，則第二轉(zhuǎn)換單元2執(zhí)行高頻逆變器操作的時間段延長，并且損耗減少的效果減弱對應(yīng)于延長的時間段的量。

(5)在(1)至(4)中任何一個的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，優(yōu)選地，電容器具有這樣的電容，以允許歸因于第一轉(zhuǎn)換單元中的開關(guān)的高頻電壓變化被平滑，而不允許脈動電流波形被平滑。

在該情形下，有可能獲得所需的脈動電流波形，同時消除歸因于開關(guān)的高頻電壓變化。

(6)另一方面，一種三相AC電源設(shè)備包括：DC電源；第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于三相AC的中性點(diǎn)的第一相的具有AC波形的電壓；第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第二相的具有AC波形的電壓；第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其被配置成將從所述DC電源輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成要輸出到相對于所述中性點(diǎn)的第三相的具有AC波形的電壓；以及控制單元，其被配置成控制所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，

所述第一相轉(zhuǎn)換設(shè)備、所述第二相轉(zhuǎn)換設(shè)備以及所述第三相轉(zhuǎn)換設(shè)備中的每一個包括：第一轉(zhuǎn)換單元，其具有包括隔離變壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器以及平滑電容器，所述第一轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述控制單元，將所輸入的DC電壓轉(zhuǎn)換成包含脈動電流波形的電壓，所述電壓對應(yīng)于通過在作為待輸出的AC波形的基波上疊加三次諧波所獲得的電壓的絕對值；以及第二轉(zhuǎn)換單元，其被設(shè)置在所述第一轉(zhuǎn)換單元之后的級并且具有全橋逆變器，所述第二轉(zhuǎn)換單元被配置成，通過控制所述全橋逆變器的所述控制單元，在每一個周期反轉(zhuǎn)包含所述脈動電流波形的電壓的極性，由此將所述電壓轉(zhuǎn)換成具有所述AC波形的電壓。

此外，在該情形下，提供與(1)中的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備相同的操作和效果。

[實(shí)施例的細(xì)節(jié)]

下文將參照附圖來詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。

<<三相AC電源設(shè)備/功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的第一實(shí)施例>>

(三相電路圖)

圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的三相AC電源設(shè)備500的電路圖。三相AC電源設(shè)備500包括功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P以及例如由蓄電池組成的DC電源5并且被連接至三相AC負(fù)載6。

功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P由提供用于三相AC的相應(yīng)相的三個轉(zhuǎn)換設(shè)備(第一轉(zhuǎn)換設(shè)備、第二轉(zhuǎn)換設(shè)備、第三轉(zhuǎn)換設(shè)備)100組成。轉(zhuǎn)換設(shè)備100將從DC電源5輸入的DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率，并且將AC功率供給至三相AC負(fù)載6。三個轉(zhuǎn)換設(shè)備100各自供給具有相對于三相AC的中性點(diǎn)N的相電壓的AC功率，并且這三個轉(zhuǎn)換設(shè)備100作為整體將具有線間電壓的AC功率供給至相應(yīng)的相負(fù)載6p(第一相(u)、第二相(v)、第三相(w))。

在三相AC負(fù)載6的線間電壓是400V的情形下，相電壓約是231V(400V/(3^1/2))。輸出相電壓的每個轉(zhuǎn)換設(shè)備100需要約327V((400V/(3^1/2))×(2^1/2))作為DC總線L_B的電壓。這意味著，與由單個三相逆變器供給到三相AC負(fù)載6的線間電壓(400V)的情形相比，DC總線L_B的電壓降低(從566V到327V)。因此，開關(guān)元件以及其他電子設(shè)備的耐壓性能不需要1200V，而約600V便足矣。

(單相電路圖)

圖2是詳細(xì)示出用于圖1中的一個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備100的內(nèi)部電路的示圖。

轉(zhuǎn)換設(shè)備100將輸入的DC電壓V_DC轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于AC波形的目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC，并且輸出該AC電壓V_AC。雖然轉(zhuǎn)換設(shè)備100也能夠從AC轉(zhuǎn)換成DC，但在此，將主要針對從DC轉(zhuǎn)換成AC來進(jìn)行描述(相同的情形也適用于第二實(shí)施例以及第三實(shí)施例中)。

在圖2中，轉(zhuǎn)換設(shè)備100包括第一轉(zhuǎn)換單元1、第二轉(zhuǎn)換單元2以及控制單元3作為主要部件。第一轉(zhuǎn)換單元1經(jīng)由平滑電容器4接收DC電壓V_DC。由電壓傳感器5s來檢測DC電壓V_DC，并且將有關(guān)所檢測到的電壓的信息發(fā)送至控制單元3。由電壓傳感器6s來檢測AC電壓V_AC，這是第二轉(zhuǎn)換單元2的輸出電壓，并且將有關(guān)所檢測到的電壓的信息發(fā)送至控制單元3。

第一轉(zhuǎn)換單元1包括DC/DC轉(zhuǎn)換器10以及平滑電容器14。

DC/DC轉(zhuǎn)換器10從輸入側(cè)開始包括：由四個開關(guān)元件Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋電路11；隔離變壓器12；以及由四個開關(guān)元件Q5、Q6、Q7、Q8組成的整流電路13，并且這些被連接成如圖2中所示。

第二轉(zhuǎn)換單元2包括：由四個開關(guān)元件Q9、Q10、Q11、Q12組成的全橋逆變器21；以及電容器22。第二轉(zhuǎn)換單元2的輸出變成具有所需AC波形的AC電壓V_AC。

由控制單元3來控制開關(guān)元件Q1至Q12。作為開關(guān)元件Q1至Q12，例如，可以使用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或者FET(場效應(yīng)晶體管)。

如上所述，與由單個三相逆變器供給到三相AC負(fù)載6的線間電壓(400V)的情形相比，DC總線L_B的電壓降低。因此，轉(zhuǎn)換設(shè)備100內(nèi)的開關(guān)元件Q5至Q12中的開關(guān)損耗減少。此外，隔離變壓器12中的鐵損也減少。

更進(jìn)一步，對于連接至DC總線L_B的開關(guān)元件Q5至Q12以及平滑電容器14，即使是具有低耐壓性能的那些也能夠被使用。具有低耐壓性能的開關(guān)元件具有較低的接通電阻，因此傳導(dǎo)損耗能夠減少。

(轉(zhuǎn)換設(shè)備的操作)

(波形的第一示例)

接下來，將對轉(zhuǎn)換設(shè)備100的操作進(jìn)行描述。首先，控制單元3執(zhí)行對于第一轉(zhuǎn)換單元1的全橋電路11(開關(guān)元件Q1至Q4)的PWM控制。

圖3是示出用于全橋電路11的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。在圖3中，由雙點(diǎn)劃線指示的波形是對應(yīng)于目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC。應(yīng)指出，如下所述，該波形并非正常的正弦波。柵極驅(qū)動脈沖的頻率(例如，20kHz)遠(yuǎn)高于AC電壓V_AC的頻率(50或60Hz)，因此無法描繪每個脈沖，但脈沖寬度在AC波形的絕對值的峰值處變得最寬，并且在絕對值趨于零時變得較窄。

圖4是示出生成柵極驅(qū)動脈沖的方式的示例的示圖。上方的曲線圖示出高頻載波以及作為參考波的AC波形的正弦波的絕對值。橫軸以放大方式指示極短的時間，因此參考波似乎呈直線，但實(shí)際上例如是從零朝向π/2上升的部分。至于載波，以重疊方式示出兩個波形(粗線和細(xì)線)，并且它們是暫時性彼此偏移半個周期的兩個梯形波形。也就是說，在每個梯形波形的一個周期中，波形傾斜上升并且在一定時間段期間保持電位1，并且然后驟降至零。這樣的波形連續(xù)出現(xiàn)，并且兩組這樣的波形彼此偏移半個周期。

通過將載波與如上所述的參考波進(jìn)行比較，生成對應(yīng)于正弦波的絕對值大于載波的間隔的脈沖，由此如下方的曲線圖所示，獲得受PWM控制的柵極驅(qū)動脈沖。關(guān)于柵極驅(qū)動脈沖，交替地輸出用于接通開關(guān)元件Q1和Q4的脈沖以及用于接通開關(guān)元件Q2和Q3的脈沖。因此，正電壓與負(fù)電壓被交替地并且同等地應(yīng)用于隔離變壓器12的初級繞組。在參考波(正弦波)的過零點(diǎn)的附近，脈沖寬度幾乎不出現(xiàn)，因此，如圖3中所示，過零點(diǎn)的附近是大體上沒有柵極驅(qū)動脈沖被輸出的區(qū)域。

由上述柵極驅(qū)動脈沖驅(qū)動的全橋電路11的輸出由隔離變壓器12以預(yù)定的匝數(shù)比來變換，并且此后由整流電路13來整流并且由電容器14來平滑。平滑在消除高頻開關(guān)的痕跡方面起到作用，但并不平滑低頻波，諸如商用頻率。也就是說，電容器14的電容被選擇成適當(dāng)值，以便獲得這樣的結(jié)果。如果電容遠(yuǎn)高于該適當(dāng)值，則諸如商用頻率的低頻波也被平滑，由此使波形的形狀模糊。通過選擇適當(dāng)值，就可能獲得所需的脈動電流波形，同時消除歸因于開關(guān)的高頻電壓變化。

即使未從控制單元3向整流電路13給予柵極驅(qū)動脈沖(即使開關(guān)元件Q5至Q8全部截止)，整流電路13也能夠通過元件中提供的二極管來執(zhí)行整流，但如果給予柵極驅(qū)動脈沖，則整流電路13能夠執(zhí)行同步整流。也就是說，在執(zhí)行二極管整流的情形下，當(dāng)電流在每個二極管中流動的時候，從控制單元3向開關(guān)元件Q5至Q8給予柵極驅(qū)動脈沖。這實(shí)現(xiàn)了同步整流，并且電流流經(jīng)半導(dǎo)體元件，由此整流電路13中的功率損耗總體上能夠減少。

圖5是示出生成用于第一轉(zhuǎn)換單元1中的輸出波形的命令值的方式的曲線圖。橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。通過使用如(a)中所示具有327V的波峰值以及商用頻率(50Hz、每周期0.02秒)的正弦波作為基波并且在該基波上疊加具有基波頻率三倍的頻率的三次諧波，獲得命令值的波形。三次諧波的振幅例如是基波的振幅的10％。通過疊加兩個波形，獲得如(b)中所示的包含三次諧波的AC波形。該AC波的峰值(波峰值)由于其波形而變得低于(a)中所示的基波的峰值，即變成327×(3^1/2)/2＝283[V]。然后，(c)的波形是(b)的波形的絕對值，其變成用于第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值。

在圖6中，(a)示出如上設(shè)定的用于第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值(理想值)的四個周期。橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。也就是說，這近似于通過全波整流AC電壓V_AC的AC波形所獲得的脈動電流波形，但因?yàn)榘沃C波，所以波峰值從327V降至283V。

在圖6中，(b)示出在電容器14的兩端之間實(shí)際出現(xiàn)的脈動電流波形的電壓。從與(a)的比較明顯可見，能夠獲得幾乎如命令值所指示的脈動電流波形。

圖7示出用于構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器的開關(guān)元件Q9至Q12的柵極驅(qū)動脈沖。在圖7中，(a)示出用于開關(guān)元件Q9、Q12的柵極驅(qū)動脈沖，并且(b)示出用于開關(guān)元件Q10、Q11的柵極驅(qū)動脈沖。如曲線圖中所示，值1和0交替出現(xiàn)，由此在脈動電流的每一個周期反轉(zhuǎn)圖6中的脈動電流波形的極性。

圖8是示出如上所述輸出的AC電壓V_AC的一個周期的曲線圖，其中，(a)是目標(biāo)電壓(理想值)并且(b)是由電壓傳感器6s實(shí)際檢測到的AC電壓V_AC。雖然在過零點(diǎn)的附近存在輕微的失真，但獲得了幾乎如目標(biāo)所指示的AC波形。

(概述)

如上所述，在功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100中，雖然第一轉(zhuǎn)換單元1的硬件配置是DC/DC轉(zhuǎn)換器，但DC電壓被轉(zhuǎn)換成不只是DC電壓，而是對應(yīng)于包含三次諧波的AC波形的絕對值的脈動電流波形。因此，作為AC波形的基礎(chǔ)的波形是由第一轉(zhuǎn)換單元1來生成。然后，第二轉(zhuǎn)換單元2在每一個周期反轉(zhuǎn)包含脈動電流波形的電壓的極性，由此將電壓轉(zhuǎn)換成AC波形的目標(biāo)電壓。

通過輸出如上所述的每個相電壓，與由單個三相逆變器供給到三相AC負(fù)載6的線間電壓(400V)的情形相比，DC總線L_B的電壓降低并且進(jìn)一步獲得通過疊加三次諧波而減小波峰值的效果，由此轉(zhuǎn)換設(shè)備100中的開關(guān)元件Q5至Q12中的開關(guān)損耗減少。此外，隔離變壓器12中的鐵損也減少。

此外，在第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器中進(jìn)行開關(guān)的次數(shù)與在常規(guī)的逆變器操作中的開關(guān)次數(shù)相比大幅減少。也就是說，開關(guān)的次數(shù)大幅降低(1/200)，從例如約20kHz的高頻降至100Hz(例如，50Hz的AC的每一個周期的兩倍)。第二轉(zhuǎn)換單元2在過零點(diǎn)的時候執(zhí)行開關(guān)，因此在開關(guān)時的電壓極低(理想上是0V)。因此，第二轉(zhuǎn)換單元2中的開關(guān)損耗大幅度減少。由于第二轉(zhuǎn)換單元2并不執(zhí)行伴隨高頻開關(guān)的逆變器操作，所以在第二轉(zhuǎn)換單元2的輸出側(cè)上無需AC電抗器，因此能夠消除歸因于AC電抗器的功率損耗。

由于如上所述的功率損耗的減少，能夠提高轉(zhuǎn)換設(shè)備100的轉(zhuǎn)換效率。

第一轉(zhuǎn)換單元1的電容器14僅需平滑高頻的電壓變化，而并不平滑低頻的脈動電流波形。因此，能夠使用具有低電容(例如10μF或22μF)的電容器。

(三相波形)

圖9是波形圖，其中，(a)示出從功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P輸出的U、V、W的相電壓，并且(b)示出應(yīng)用于三相AC負(fù)載的U-V、V-W、W-U的線間電壓。

控制單元3控制用于每個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備(第一轉(zhuǎn)換設(shè)備、第二轉(zhuǎn)換設(shè)備、第三轉(zhuǎn)換設(shè)備)100，以使由此輸出的AC波形的相彼此偏移(2/3)π。即使每個相電壓都包含三次諧波，這些三次諧波在線間電壓中也被抵消，因此，如同在正常正弦波的相電壓的情形下，獲得具有彼此偏移(2/3)π的相并且具有566V(＝400×(2^1/2)＝283×2)的波峰值的三相線間電壓。

因此，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P能夠?qū)⑷郃C電壓應(yīng)用于三相AC負(fù)載6并且向其供給AC功率。

(波形的第二示例)

圖10是示出用于全橋電路11的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。在圖10中，由雙點(diǎn)劃線指示的波形是對應(yīng)于目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC。應(yīng)指出，該波形并非正常的正弦波。柵極驅(qū)動脈沖的頻率(例如，20kHz)遠(yuǎn)高于AC電壓V_AC的頻率(50或60Hz)，因此無法描繪每個脈沖，但脈沖寬度在AC波形的絕對值的峰值處變得最寬，并且在絕對值趨于零時變得較窄。

圖11是示出為第一轉(zhuǎn)換單元1中的輸出波形生成命令值的方式的另一示例的曲線圖。橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。通過使用如(a)中所示具有327V的波峰值以及商用頻率(50Hz、每周期0.02秒)的正弦波作為基波并且在該基波上疊加具有基波頻率三倍的頻率的三次諧波，獲得命令值的波形。三次諧波的振幅例如是基波的振幅的20％。通過疊加兩個波形，獲得如(b)中所示的包含三次諧波的AC波形。該AC波的峰值(波峰值)由于其波形而變得低于(a)中所示的基波的峰值，即變成327×(3^1/2)/2＝283[V]。然后，(c)的波形是(b)的波形的絕對值，其變成用于第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值。

在圖12中，(a)示出如上設(shè)定的用于第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值(理想值)的四個周期。橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。也就是說，這近似于通過全波整流AC電壓V_AC的AC波形所獲得的脈動電流波形，但因?yàn)榘沃C波，所以波峰值從327V降至283V。

在圖12中，(b)示出在電容器14的兩端之間實(shí)際出現(xiàn)的脈動電流波形的電壓。從與(a)的比較明顯可見，能夠獲得幾乎如命令值所指示的脈動電流波形。

如在第一示例中，構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器21的開關(guān)元件Q9至Q12由如圖7中所示的柵極驅(qū)動脈沖來驅(qū)動。作為結(jié)果，圖12中的脈動電流波形的極性在脈動電流的每一個周期被反轉(zhuǎn)。

圖13是示出如上所述輸出的AC電壓V_AC的一個周期的曲線圖，其中，(a)是目標(biāo)電壓(理想值)并且(b)是由電壓傳感器6s實(shí)際檢測到的AC電壓V_AC。雖然在過零點(diǎn)的附近存在輕微的失真，但獲得了幾乎如目標(biāo)所指示的AC波形。

(概述)

如上所述，在功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100中，雖然第一轉(zhuǎn)換單元1的硬件配置是DC/DC轉(zhuǎn)換器，但DC電壓被轉(zhuǎn)換成不只是DC電壓，而是對應(yīng)于包含三次諧波的AC波形的絕對值的脈動電流波形。因此，作為AC波形的基礎(chǔ)的波形是由第一轉(zhuǎn)換單元1來生成。然后，第二轉(zhuǎn)換單元2在每一個周期反轉(zhuǎn)包含脈動電流波形的電壓的極性，由此將電壓轉(zhuǎn)換成AC波形的目標(biāo)電壓。

通過輸出如上所述的每個相電壓，與由單個三相逆變器供給到三相AC負(fù)載6的線間電壓(400V)的情形相比，DC總線L_B的電壓降低并且進(jìn)一步獲得通過疊加三次諧波而減小波峰值的效果，由此轉(zhuǎn)換設(shè)備100中的開關(guān)元件Q5至Q12中的開關(guān)損耗減少。此外，隔離變壓器12中的鐵損也減少。

此外，在第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器中進(jìn)行開關(guān)的次數(shù)與在常規(guī)的逆變器操作中的開關(guān)次數(shù)相比大幅減少。也就是說，開關(guān)的次數(shù)大幅降低(1/200)，從例如約20kHz的高頻降至100Hz(例如，50Hz的AC的每一個周期的兩倍)。第二轉(zhuǎn)換單元2在過零點(diǎn)的時候執(zhí)行開關(guān)，因此在開關(guān)時的電壓極低(理想上是0V)。因此，第二轉(zhuǎn)換單元2中的開關(guān)損耗大幅度減少。由于第二轉(zhuǎn)換單元2并不執(zhí)行伴隨高頻開關(guān)的逆變器操作，所以在第二轉(zhuǎn)換單元2的輸出側(cè)上無需AC電抗器，因此能夠消除歸因于AC電抗器的功率損耗。

由于如上所述的功率損耗的減少，能夠提高轉(zhuǎn)換設(shè)備100的轉(zhuǎn)換效率。

第一轉(zhuǎn)換單元1的電容器14僅需平滑高頻的電壓變化，而并不平滑低頻的脈動電流波形。因此，能夠使用具有低電容(例如10μF或22μF)的電容器。

(三相波形)

圖14是波形圖，其中，(a)示出從功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P輸出的U、V、W的相電壓，并且(b)示出應(yīng)用于三相AC負(fù)載的U-V、V-W、W-U的線間電壓。

控制單元3控制用于每個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備(第一轉(zhuǎn)換設(shè)備、第二轉(zhuǎn)換設(shè)備、第三轉(zhuǎn)換設(shè)備)100，以使由此輸出的AC波形的相彼此偏移(2/3)π。即使每個相電壓都包含三次諧波，這些三次諧波在線間電壓中也被抵消，因此，如同在正常正弦波的相電壓的情形下，獲得具有彼此偏移(2/3)π的相并且具有566V(＝400×(2^1/2)＝283×2)的波峰值的三相線間電壓。

因此，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P能夠?qū)⑷郃C電壓應(yīng)用于三相AC負(fù)載6并且向其供給AC功率。

(補(bǔ)充)

如上所述，轉(zhuǎn)換設(shè)備100也能夠被使用于從AC轉(zhuǎn)換成DC。然而，在該情形下，優(yōu)選的是，AC電抗器(其與下述的第二實(shí)施例中的AC電抗器23(圖16)相同)被插入從開關(guān)元件Q9與Q10之間的相互連接點(diǎn)到電容器22的電路徑上。

在該情形下，AC電抗器與電容器22形成濾波器電路(低通濾波器)。在圖2中，在從AC側(cè)饋送功率的情形下，第二轉(zhuǎn)換單元2用作“整流電路”，并且第一轉(zhuǎn)換單元1的整流電路13用作“逆變器”。由于存在濾波器電路，防止由該“逆變器”生成的高頻分量泄漏到AC側(cè)。

在該情形下的全橋電路11用作“整流電路”?？刂茊卧?以這樣的適當(dāng)開關(guān)頻率交替地接通開關(guān)元件Q5和Q8以及開關(guān)元件Q6和Q7，該開關(guān)頻率不會使隔離變壓器12磁飽和，由此向隔離變壓器12發(fā)送功率。隔離變壓器12的輸出由用作“整流電路”的全橋電路11來整流，以變成DC電壓。

<<三相AC電源設(shè)備/功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的第二實(shí)施例>>

(三相電路圖)

圖15是示出根據(jù)第二實(shí)施例的三相AC電源設(shè)備500的電路圖。三相AC電源設(shè)備500包括功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100P以及例如由蓄電池組成的DC電源5并且被連接至三相AC負(fù)載6。

圖16是詳細(xì)示出用于圖15中的一個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備100的內(nèi)部電路的示圖。

(單相電路圖)

圖16與圖2的不同之處在于，在圖16中，在第二轉(zhuǎn)換單元2中的全橋逆變器21的輸出側(cè)上提供AC電抗器23，并且提供電壓傳感器9，用于檢測第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出電壓。其他硬件配置相同。AC電抗器23與電容器22構(gòu)成濾波器電路(低通濾波器)，用于消除第二轉(zhuǎn)換單元2的輸出中所包含的高頻分量。有關(guān)由電壓傳感器9所檢測到的電壓的信息被發(fā)送至控制單元3。

(轉(zhuǎn)換設(shè)備的操作)

(波形的第一示例)

圖17是示出用于全橋電路11的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。在圖17中，由雙點(diǎn)劃線指示的波形是對應(yīng)于目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC。應(yīng)指出，該波形并非正常的正弦波。柵極驅(qū)動脈沖的頻率(例如，20kHz)遠(yuǎn)高于AC電壓V_AC的頻率(50或60Hz)，因此無法描繪每個脈沖，但脈沖寬度在AC波形的絕對值的峰值處變得最寬，并且在絕對值趨于零時變得較窄。與圖3的不同之處在于，在AC波形的過零點(diǎn)附近，在比圖3中的區(qū)域更寬的區(qū)域中沒有輸出柵極驅(qū)動脈沖。

在圖18中，(a)示出待通過圖17中的柵極驅(qū)動脈沖來獲得的用于第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值(理想值)的四個周期。橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。也就是說，這是如上所述通過將具有10％的振幅比的三次諧波疊加到脈動電流波形(然而，其具有這樣的切掉下限部分的形狀)上所獲得的波形，所述脈動電流波形如同通過全波整流AC電壓V_AC的波形所獲得的波形。在該情形下，對應(yīng)于目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC的頻率例如是50Hz。因此，脈動電流波形的一個周期是(1/50)秒＝0.02秒的一半，即0.01秒。在該示例中，波峰值是283V(200×(2^1/2))。

在圖18中，(b)示出在電容器14的兩端之間實(shí)際出現(xiàn)的脈動電流波形的電壓。從與(a)的比較明顯可見，能夠獲得幾乎如命令值所指示的脈動電流波形，但波形在其電壓等于或者低于目標(biāo)電壓的波峰值的預(yù)定比例的時間段內(nèi)輕微失真，例如，等于或者低于100V。

在圖19中，(a)是通過在與圖18中的(b)相同的曲線圖上額外用虛線描繪過零點(diǎn)附近的目標(biāo)電壓的波形所獲得的曲線圖。在圖19中，(b)和(c)示出用于構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器的開關(guān)元件Q9至Q12的柵極驅(qū)動脈沖。也就是說，(b)示出用于開關(guān)元件Q9、Q12的柵極驅(qū)動脈沖，并且(c)示出用于開關(guān)元件Q10、Q11的柵極驅(qū)動脈沖。在曲線圖中描繪了沿垂直方向的細(xì)線的區(qū)域中，通過高頻開關(guān)來執(zhí)行PWM控制。

如圖19中所示，在(b)和(c)中的柵極驅(qū)動脈沖交替地取值1和0。因此，(a)中的脈動電流波形在脈動電流的每一個周期被反轉(zhuǎn)。關(guān)于(b)中的控制，即對于開關(guān)元件Q9和Q12的控制，當(dāng)從第一轉(zhuǎn)換單元1輸出的(a)中所示的電壓等于或者低于例如100V時，控制單元3使得開關(guān)元件Q9和Q12執(zhí)行高頻開關(guān)，以執(zhí)行逆變器操作。因此，電壓從第二轉(zhuǎn)換單元2輸出，以致接近過零點(diǎn)附近的目標(biāo)電壓。此外在(c)中，類似地，當(dāng)從第一轉(zhuǎn)換單元1輸出的電壓等于或者低于例如100V時，控制單元3使得開關(guān)元件Q10和Q11執(zhí)行高頻開關(guān)，以執(zhí)行逆變器操作。因此，電壓從第二轉(zhuǎn)換單元2輸出，以致接近過零點(diǎn)附近的目標(biāo)電壓。

圖20是示出從第二轉(zhuǎn)換單元2經(jīng)由由AC電抗器23以及電容器22組成的濾波器電路所輸出的AC電壓V_AC的曲線圖。如圖20中所示，在過零點(diǎn)附近沒有失真的情況下，獲得如由目標(biāo)電壓所指示的幾近理想的AC波形。

應(yīng)指出，優(yōu)選地，用于使得第二轉(zhuǎn)換單元2執(zhí)行逆變器操作的預(yù)定比例是18％至35％。

在該情形下，有可能防止過零點(diǎn)附近的波形失真，并且還充分獲得損耗減少的效果。例如，如果“預(yù)定比例”低于18％，則存在過零點(diǎn)附近的左邊輕微失真的可能性。如果“預(yù)定比例”高于35％，則第二轉(zhuǎn)換單元2執(zhí)行高頻逆變器操作的時間段延長，并且損耗減少的效果減弱對應(yīng)于延長的時間段的量。

(三相波形)

三相波形的生成與圖19中相同，因此在此省略其描述。

(波形的第二示例)

圖21是示出用于全橋電路11的柵極驅(qū)動脈沖的示圖。在圖21中，由雙點(diǎn)劃線指示的波形是對應(yīng)于目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC。應(yīng)指出，該波形并非正常的正弦波。柵極驅(qū)動脈沖的頻率(例如，20kHz)遠(yuǎn)高于AC電壓V_AC的頻率(50或60Hz)，因此無法描繪每個脈沖，但脈沖寬度在AC波形的絕對值的峰值處變得最寬，并且在絕對值趨于零時變得較窄。與圖10的不同之處在于，在AC波形的過零點(diǎn)附近，在比圖10中的區(qū)域更寬的區(qū)域中沒有輸出柵極驅(qū)動脈沖。

在圖22中，(a)示出待通過圖21中的柵極驅(qū)動脈沖來獲得的用于第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值(理想值)的另一個示例。橫軸指示時間并且縱軸指示電壓。也就是說，這是如上所述通過將具有20％的振幅比的三次諧波疊加到脈動電流波形(然而，其具有這樣的切掉下限部分的形狀)上所獲得的波形，所述脈動電流波形如同通過全波整流AC電壓V_AC的波形所獲得的波形。在該情形下，對應(yīng)于目標(biāo)電壓的AC電壓V_AC的頻率例如是50Hz。因此，脈動電流波形的一個周期是(1/50)秒＝0.02秒的一半，即0.01秒。在該示例中，波峰值是283V(200×(2^1/2))。

在圖22中，(b)示出在電容器14的兩端之間實(shí)際出現(xiàn)的脈動電流波形的電壓。從與(a)的比較明顯可見，能夠獲得幾乎如命令值所指示的脈動電流波形，但波形在其電壓等于或者低于目標(biāo)電壓的波峰值的預(yù)定比例的時間段內(nèi)輕微失真，例如，等于或者低于100V。

因此，執(zhí)行與圖19中相同的處理，并且當(dāng)電壓等于或者低于例如100V時，使得開關(guān)元件Q9、Q12以及開關(guān)元件Q10、Q11執(zhí)行高頻開關(guān)，以執(zhí)行逆變器操作。因此，電壓從第二轉(zhuǎn)換單元2輸出，以致接近過零點(diǎn)附近的目標(biāo)電壓。

圖23是示出從第二轉(zhuǎn)換單元2經(jīng)由由AC電抗器23以及電容器22組成的濾波器電路所輸出的AC電壓V_AC的曲線圖。如圖23中所示，在過零點(diǎn)附近沒有失真的情況下，獲得如由目標(biāo)電壓所指示的幾近理想的AC波形。

(三相波形)

三相波形的生成與圖14中相同，因此在此省略其描述。

(概述)

如上所述，在第二實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100中，雖然第一轉(zhuǎn)換單元1的硬件配置是DC/DC轉(zhuǎn)換器，但DC電壓被轉(zhuǎn)換成不只是DC電壓，而是對應(yīng)于包含三次諧波的AC波形的絕對值的脈動電流波形(除過零點(diǎn)附近以外)。因此，作為AC波形的基礎(chǔ)的波形主要是由第一轉(zhuǎn)換單元1來生成。此外，第二轉(zhuǎn)換單元2在每一個周期反轉(zhuǎn)從第一轉(zhuǎn)換單元1輸出的包含脈動電流波形的電壓的極性，由此將電壓轉(zhuǎn)換成AC波形的目標(biāo)電壓。更進(jìn)一步，第二轉(zhuǎn)換單元2僅對過零點(diǎn)附近執(zhí)行逆變器操作，以在過零點(diǎn)附近生成未由第一轉(zhuǎn)換單元1生成的AC波形，并且輸出該AC波形。

通過輸出如上所述的每個相電壓，與由單個三相逆變器供給到三相AC負(fù)載6的線間電壓(400V)的情形相比，DC總線L_B的電壓降低并且進(jìn)一步獲得通過疊加三次諧波而減小波峰值的效果，由此轉(zhuǎn)換設(shè)備100中的開關(guān)元件Q5至Q12中的開關(guān)損耗減少。此外，隔離變壓器12中的鐵損也減少。

此外，在目標(biāo)電壓的過零點(diǎn)附近，第二轉(zhuǎn)換單元2促使AC波形的生成，并且在其他區(qū)域中，第一轉(zhuǎn)換單元1促使AC波形的生成。在整個區(qū)域中的脈動電流波形僅由第一轉(zhuǎn)換單元1來生成的情形下，過零點(diǎn)附近的波形有可能失真。然而，通過在本地使用第二轉(zhuǎn)換單元2的逆變器操作，防止波形發(fā)生這樣的失真，并且能夠獲得更平滑的AC波形的輸出。

由于使得第二轉(zhuǎn)換單元2執(zhí)行逆變器操作的時間段短，因此損耗遠(yuǎn)小于常規(guī)的逆變器操作中的。此外，歸因于AC電抗器23的損耗也小于常規(guī)的逆變器操作中的。更進(jìn)一步，在執(zhí)行逆變器操作的過零點(diǎn)附近的時間段期間的電壓相對較低的特征也促使歸因于開關(guān)的損耗以及歸因于AC電抗器的損耗減少。

由于如上所述的損耗減少，能夠提高轉(zhuǎn)換設(shè)備100的轉(zhuǎn)換效率，此外，還能夠獲得更平滑的AC波形的輸出。

應(yīng)指出，用于確定使得第二轉(zhuǎn)換單元2以高頻執(zhí)行逆變器操作期間的時間段的準(zhǔn)則與第一示例中相同。

<<三相AC電源設(shè)備/功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的第三實(shí)施例>>

圖24是根據(jù)第三實(shí)施例的用于三相AC電源設(shè)備以及功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的一個相的轉(zhuǎn)換設(shè)備100的電路圖。在此，省略對應(yīng)于圖15的示圖。也就是說，通過用圖24中的轉(zhuǎn)換設(shè)備100來替代圖15中的轉(zhuǎn)換設(shè)備100，獲得根據(jù)第三實(shí)施例的三相AC電源設(shè)備以及功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。

在圖24中，與圖16(第二實(shí)施例)的區(qū)別在于，隔離變壓器12的初級側(cè)(圖24中的左側(cè))上的繞組12p具備中心抽頭，并且對應(yīng)于圖16中的全橋電路11的部分是使用該中心抽頭的推挽電路11A。推挽電路11A包括DC電抗器15以及開關(guān)元件Qa和Qb，將它們連接成如圖24中所示。開關(guān)元件Qa和Qb受到控制元件3的PWM控制，并且在推挽電路11A的操作期間，當(dāng)開關(guān)元件Qa和Qb中的一個被接通時，另一個被截止。

在圖24中，因DC電壓V_DC所致的電流從DC電抗器15流經(jīng)開關(guān)元件Qa和Qb中被接通的一個，并且然后流入隔離變壓器12并且從中心抽頭流出。通過反復(fù)地交替接通和截止開關(guān)元件Qa和Qb，隔離變壓器12能夠執(zhí)行電壓變換。通過執(zhí)行開關(guān)元件Qa和Qb的柵極驅(qū)動脈沖的PWM控制，能夠?qū)崿F(xiàn)與第二實(shí)施例中的第一轉(zhuǎn)換單元1相同的功能。

也就是說，用于第三實(shí)施例中的第一轉(zhuǎn)換單元1的輸出波形的命令值(理想值)如第二實(shí)施例中在圖18的(a)中示出。

此外，用于構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器21的開關(guān)元件Q9和Q12的柵極驅(qū)動脈沖以及用于構(gòu)成第二轉(zhuǎn)換單元2的全橋逆變器21的開關(guān)元件Q10和Q11的柵極驅(qū)動脈沖如第二實(shí)施例中分別在圖19的(b)和(c)中示出。

因此，如第二實(shí)施例中，如在圖20中所示，獲得幾乎如由目標(biāo)電壓所指示的AC波形。

如上所述，第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換設(shè)備100能夠?qū)崿F(xiàn)與第二實(shí)施例中相同的功能，并且能夠獲得平滑AC波形的輸出。在推挽電路11A中，開關(guān)元件的數(shù)目與第二實(shí)施例的全橋電路11(圖16)中的開關(guān)元件的數(shù)目相比有所減少，因此，開關(guān)損耗減少對應(yīng)于開關(guān)元件的數(shù)目減少的量。

<<其他>>

在上述實(shí)施例中，已就功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100p被連接至三相AC負(fù)載6的情形來進(jìn)行描述。然而，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備100p可以被連接至單相負(fù)載或者電網(wǎng)。

第一至第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換設(shè)備100能夠廣泛用于電源系統(tǒng)(主要用于商業(yè)目的)、獨(dú)立電源、UPS等等，以便從諸如蓄電池的DC電源供給AC功率。

在圖1或圖15中，已示出從共同的DC電源5向三個轉(zhuǎn)換設(shè)備100輸入DC電壓的配置。這樣的能夠使用共同的DC電源的特征也是使用隔離變壓器12的轉(zhuǎn)換設(shè)備100的優(yōu)點(diǎn)。然而，在不限制使用共同的DC電源的情況下，可以為多個轉(zhuǎn)換設(shè)備單獨(dú)提供DC電源。

應(yīng)指出，本文所公開的實(shí)施例在各方面中僅是說明性的而不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。本發(fā)明的范圍通過權(quán)利要求的范圍來限定并且旨在包括與權(quán)利要求的范圍等價的含義以及該范圍內(nèi)的全部修改。

附圖標(biāo)記列表

1 第一轉(zhuǎn)換單元

2 第二轉(zhuǎn)換單元

3 控制單元

4 電容器

5 DC電源

5s 電壓傳感器

6 三相AC負(fù)載

6p 相負(fù)載

6s 電壓傳感器

9 電壓傳感器

10 DC/DC轉(zhuǎn)換器

11 全橋電路

11A 推挽電路

12 隔離變壓器

12p 初級側(cè)繞組

13 整流電路

14 電容器

15 DC電抗器

21 全橋逆變器

22 電容器

23 AC電抗器

100 轉(zhuǎn)換設(shè)備

100P 功率轉(zhuǎn)換設(shè)備

200 功率轉(zhuǎn)換設(shè)備

201 DC電源

202 電容器

203 升壓電路

203t 隔離變壓器

204 DC總線

205 平滑電路

206 電容器

207 三相逆變器電路

208至210 AC電抗器

211至213 電容器

220 三相AC負(fù)載

500 三相AC電源設(shè)備

L_B DC總線

N 中性點(diǎn)

Q1至Q12、Qa、Qb 開關(guān)元件