電力変換装置
【課題】インバータの回路構成を簡略化し、半導体スイッチング素子の電流遮断動作時の電圧跳ね上がりに悪影響を与える配線インダクタンスを小さくできる５レベル以上の多レベル電力変換装置を提供する。
【解決手段】８個のスイッチングデバイスを直列接続した第１のスイッチングアーム１３と並列に４個のコンデンサを直列接続したコンデンサアーム１３を有し、第１のスイッチングアーム１３の上から２段目と３段目との接続点と第１のスイッチングアーム１３の上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスを直列接続した第２のスイッチングアーム１４を有し、コンデンサアーム１２の上下両端に直流電源を接続し、第２のスイッチングアーム１４の中間点を交流出力点として動作させる。
【解決手段】８個のスイッチングデバイスを直列接続した第１のスイッチングアーム１３と並列に４個のコンデンサを直列接続したコンデンサアーム１３を有し、第１のスイッチングアーム１３の上から２段目と３段目との接続点と第１のスイッチングアーム１３の上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスを直列接続した第２のスイッチングアーム１４を有し、コンデンサアーム１２の上下両端に直流電源を接続し、第２のスイッチングアーム１４の中間点を交流出力点として動作させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直流を３相交流に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流を交流に変換して３相誘導電動機を可変速制御するモータドライブや、３相交流から直流に変換して直流から交流に変換するインバータの直流電源となるコンバータ電力変換装置には、３相２レベルインバータが適用されてきた。３相２レベルインバータは、直流から３相交流を出力する電力変換装置を構成する上で必要最小限の半導体スイッチング素子６個で構成されるため、小型低コスト化を図ることができる。
【０００３】
一方、その出力電圧波形は、入力直流電圧をVdcとしたとき、各相ごとに、＋Ｖｄｃ／２と、−Ｖｄｃ／２の２値の切替をＰＷＭ（パルス幅変調）で行い、擬似的に交流波形が生成された波形となっており、高耐圧のスイッチング周波数を使用していてＰＷＭスイッチング周波数を高く出来ない鉄道用モータドライブや、配電系統に接続される高圧モータドライブ、配電系統安定化用の無効電力補償装置などにおいては、スイッチング高調波に起因した電磁騒音が問題になる場合があった。配電系統接続機器においては、配電系統へ流出する高調波が規制値以下となるように、３相交流端にリアクトルとコンデンサからなるフィルタを挿入するが、このリアクトルとコンデンサの容量が大きくなっており、コスト向上と、重量増加を招いていた。
【０００４】
これに対して、電力変換器トポロジーを工夫して、出力電圧波形がより正弦波に近づくように、３レベルインバータ、５レベルインバータなどが検討され始めている。ダイオードクランプ式５レベルインバータは２レベルインバータや３レベルインバータに比較して、出力波形がより正弦波に近づくため、電磁騒音低減に効果的であり、配電系統接続の機器に適用した場合には３相交流出力リアクトル容量の低減によるコスト低減、重量低減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１９２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ダイオードクランプ式５レベルインバータは、５レベルの出力電圧を作成するために、回路構成が複雑となり、部品実装上、回路の配線インダクタンスを小さくすることが出来なくなるため、半導体スイッチング素子による電流遮断時の電圧跳ね上がりが大きくなってしまい、半導体スイッチング素子の電圧定格を超過して素子破壊を起こす懸念があった。または、電圧跳ね上がりエネルギーを吸収するために、抵抗、コンデンサ、ダイオードなどの部品からなるスナバ付帯回路を新たに追加しなければならなくなり、インバータの高コスト化、大型化を招く懸念があった。
【０００７】
本発明の実施形態は、インバータの回路構成を簡略化し、半導体スイッチング素子の電流遮断動作時の電圧跳ね上がりに悪影響を与える配線インダクタンスを小さくできる５レベル以上の多レベル電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、直流を３相交流に変換する電力変換装置であって、自己消弧能力を持つスイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとにより構成される８個のスイッチングデバイスを直列接続した第１のスイッチングアームを有する。前記第１のスイッチングアームと並列に４個のコンデンサを直列接続したコンデンサアームを有し、前記第１のスイッチングアームの上から４段目と５段目との接続点と前記コンデンサアームの上から２段目と３段目との接続点とを接続配線で短絡接続する。前記第１のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点とをコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に第１のダイオードを接続し、前記第１のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に第２のダイオードを接続し、前記第１のスイッチングアームの上から５段目と６段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に第３のダイオードを接続し、前記第１のスイッチングアームの上から７段目と８段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に第４のダイオードを接続する。さらに、前記第１のスイッチングアームの上から２段目と３段目との接続点と前記第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスを直列接続した第２のスイッチングアームを有し、前記コンデンサアームの上下両端に直流電源を接続し、前記第２のスイッチングアームの中間点を交流出力点として動作させる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の一例の構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の出力電圧のレベルを組み合わせて正弦波に近似した出力電圧とした場合の一例を示す波形図。
【図３】本発明の実施形態における電力変換装置で出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合のスイッチングデバイスＳｕ１、Ｓｕ２、Ｓｕ３のスイッチング状態を電流経路の説明図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の他の一例の構成図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の他の一例を示す構成図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の一例の構成図である。第１実施形態に係る電力変換装置は、直流を３相交流に変換するインバータであり、各相５レベルの電圧を出力する電力変換装置である。コンバータ１１で得られた直流は、４個のコンデンサＣ１〜Ｃ４で構成されるコンデンサアーム１２を介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗに入力され３相交流に変換される。スイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは同一構成であるので、スイッチングアーム１３Ｕについて説明する。
【００１１】
Ｕ相の第１のスイッチングアーム１３Ｕは、８個のスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ８が直列接続されて構成される。スイッチングデバイスＳｕ１の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第１のダイオードＤｄｕ１がコンデンサＣ１からスイッチングデバイスＳｕ１への導通が可能なように接続されている。同様に、スイッチングデバイスＳｕ３の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第２のダイオードＤｄｕ２がスイッチングデバイスＳｕ３からコンデンサＣ１への導通が可能なように接続されている。
【００１２】
また、スイッチングデバイスＳｕ５の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第３のダイオードＤｄｕ３がコンデンサＣ３からスイッチングデバイスＳｕ５への導通が可能なように接続され、スイッチングデバイスＳｕ７の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第４のダイオードＤｄｕ４がスイッチングデバイスＳｕ７からコンデンサＣ３への導通が可能なように接続されている。
【００１３】
そして、スイッチングデバイスＳｕ２の下端とスイッチングデバイスＳｕ６の下端とを２個のスイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０で接続して、第２のスイッチングアーム１４Ｕが形成されている。すなわち、第２のスイッチングアーム１４Ｕは、第１のスイッチングアーム１３Ｕの上から２段目と３段目との接続点と、第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０で直列接続して形成されている。この第２のスイッチングアーム１４ＵのスイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０の接続点からＵ相交流出力点を引き出す。Ｖ相、Ｗ相も同様の構成である。
【００１４】
次に、出力電圧と各スイッチングデバイスのオン、オフ状態との相関を説明する。表１は、図１に示した電力変換装置の各スイッチングデバイスのオン、オフ状態と出力電圧との相関を示す表である。
【表１】
【００１５】
いま、コンデンサアーム１２の中間点、すなわちコンデンサＣ２とコンデンサＣ３との接続点を接地点（＝電位ゼロ）のポイントとし、コンデンサアーム１２の両端の電圧をＶｄｃとすると、出力電圧は、＋Ｖｄｃ／２、＋Ｖｄｃ／４、０、−Ｖｄｃ／４、−Ｖｄｃ／２の５レベルの出力が可能になる。
【００１６】
出力電圧＋Ｖｄｃ／２を出したいときは、表１に示すように、スイッチングデバイスＳｕ１をオン、スイッチングデバイスＳｕ２をオン、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオン、スイッチングデバイスＳｕ１０をオフとしたスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ１０を制御する。
【００１７】
出力電圧＋Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオン、スイッチングデバイスＳｕ３をオン、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオン、スイッチングデバイスＳｕ１０をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００１８】
次に、出力電圧０を出したいときは、以下の２つのスイッチング状態のいずれかを選択できる。それぞれ次のスイッチング状態への遷移を考慮に入れて最もスイッチング回数が小さくなるスイッチング状態を選択する。
【００１９】
一つ目のスイッチング状態は、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオン、スイッチングデバイスＳｕ４をオン、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオン、スイッチングデバイスＳｕ１０をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００２０】
二つ目のスイッチング状態は、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオン、スイッチングデバイスＳｕ６をオン、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオフ、スイッチングデバイスＳｕ１０をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００２１】
また、出力電圧−Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオン、スイッチングデバイスＳｕ７をオン、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオフ、スイッチングデバイスＳｕ１０をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００２２】
出力電圧−Ｖｄｃ／２を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオン、スイッチングデバイスＳｕ８をオン、スイッチングデバイスＳｕ９をオフ、スイッチングデバイスＳｕ１０をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００２３】
図２は、これらの出力電圧、＋Ｖｄｃ／２、＋Ｖｄｃ／４、０、−Ｖｄｃ／４、−Ｖｄｃ／２の５レベルを組み合わせて、正弦波に近似した出力電圧とした場合の一例を示す波形図である。
【００２４】
次に、電流が負荷から電力変換装置（インバータ）へ流れ込む状態において、出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合について説明する。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態における電力変換装置で出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合のスイッチングデバイスＳｕ１、Ｓｕ２、Ｓｕ３のスイッチング状態を電流経路の説明図である。図３（ａ）に示すように、出力電圧＋Ｖｄｃ／４を出力している状態においては、電流は、Ｓｕ９、Ｓｕ３、Ｄｄｕ２、Ｃ１の順に負荷から電源（コンバータ）へ流れる経路Ｅ１となる。この状態で、出力電圧＋Ｖｄｃ／２に切り替えるときは、Ｓｕ９、Ｓｕ２、Ｓｕ１の順に負荷から電源へ流れる経路Ｅ２となる。この場合、電圧レベル切替のためにＳｕ３が電流を遮断することになるが、このときの電圧跳ね上がりは、電流切替経路Ｅ３の配線インダクタンスに依存する。そのため、電圧跳ね上がりを小さくするためには経路Ｅ３のインダクタンスが小さくなるように、経路Ｅ３を形成する素子を近接配置することが必要になる。
【００２６】
一方、図３（ｂ）は従来の電力変換装置で出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合の電流経路の説明図である。従来のクランプダイオード型５レベルインバータにおいても同様に出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替えたとき、電流経路Ｅ１から電流経路Ｅ２に切り替わる。この電圧レベル切替に際して、上から５個目のスイッチングデバイスＳｕ５が電流を遮断する。このときの電圧跳ね上がりは、電流切替経路Ｅ３には、配線インダクタンスに依存するため、同様にこの経路Ｅ３のインダクタンスが小さくなるように、経路Ｅ３を形成する素子を近接配置することが必要になる。
【００２７】
しかしながら、この経路の中には、スイッチングデバイスが５個、クランプダイオードが３個が含まれ、それらを近接配置したとしても配線インダクタンスを小さくすることには限界がある。これに対して本発明の実施形態の回路構成における経路Ｅ３に含まれる部品点数は少ないため、より小さな配線インダクタンスにすることができる。
【００２８】
以上の説明では、スイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０は、それぞれ単一のスイッチングデバイスで記述したが、耐電圧は、スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ８に比べて２倍の電圧が印加されるため、２倍以上の高耐圧素子を準備する必要がある。
【００２９】
そこで、図４に示すように、スイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０は、スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ８と同一の耐圧素子を２直列のスイッチングデバイスＳｕ９ａ、Ｓｕ９ｂ、Ｓｕ１０ａ、Ｓｕ１０ｂで構成する。これにより、電力変換装置に使うスイッチングデバイスが統一され、構成をより容易にすることが可能になる。
【００３０】
第１の実施の形態によれば、第１のスイッチングアーム１３の上から２段目と３段目との接続点と、第１のスイッチングアーム１３の上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスＳＵ９、Ｓｕ１０を直列接続した第２のスイッチングアーム１４を形成するので、電圧レベル切替の際に形成する電流切替経路のインダクタンスをより小さいものにすることができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図である。この第２実施形態は、図４に示した第１実施形態に対し、４個のスイッチングデバイスＳｃ１〜Ｓｃ４を直列接続した第３のスイッチングアーム１５をコンデンサアーム１２に並列に接続するとともに、コンデンサアーム１２の上から１段目と２段目との接続点と第３のスイッチングアーム１５の上から１段目と２段目との接続点とを接続する第１のリアクトルＬ１と、コンデンサアーム１２の上から３段目と４段目との接続点と第３のスイッチングアーム１５の上から３段目と４段目との接続点を接続する第２のリアクトルＬ２とを設け、第１のスイッチングアーム１３Ｕの最上端とコンデンサアーム１２の最上端とを接続し、第１のスイッチングアーム１３Ｕの最下端とコンデンサアーム１２の最下端とを接続したものである。図４と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３２】
第３のスイッチングアーム１５、第１のリアクトルＬ１、第２のリアクトルＬ２は、チョッパ回路として動作する。スイッチングデバイスＳｃ１、Ｓｃ２と、リアクトルＬ１は、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧アンバランスを抑制するようにスイッチング動作させる。同様に、スイッチングデバイスＳｃ３、Ｓｃ４と、リアクトルＬ２は、コンデンサＣ３、Ｃ４の電圧アンバランスを抑制するためにスイッチング動作させる。
【００３３】
コンデンサＣ１の電圧がコンデンサＣ２の電圧よりも大きいときは、スイッチングデバイスＳｃ１をオンさせることにより、コンデンサＣ１のエネルギーはリアクトルＬ１に蓄積される。ここでスイッチングデバイスＳｃ１をオフすると、リアクトルＬ１を流れる電流は、コンデンサＣ２、スイッチングデバイスＳｃ２の逆導通ダイオードを通じて流れ続ける結果、コンデンサＣ２が充電される。
【００３４】
逆にコンデンサＣ２の電圧がコンデンサ電圧のＣ１よりも大きいときは、スイッチングデバイスＳｃ２をオンさせることにより、コンデンサＣ２のエネルギーはリアクトルＬ１に蓄積される。ここでスイッチングデバイスＳｃ２をオフすると、リアクトルＬ１を流れる電流は、スイッチングデバイスＳｃ２の逆導通ダイオード、コンデンサＣ１を通じて流れ続ける結果、コンデンサＣ１が充電される。
【００３５】
第１実施形態では、コンデンサ容量が十分に大きくないとコンデンサ電圧にアンバランスが生じて運転継続ができなくなることがあるが、第２実施形態では、制御的にコンデンサ電圧のアンバランスを抑制することが可能になり、多レベル電力変換装置のコンデンサの容量を低減することができ装置の小型化が可能になる。
【００３６】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図６は本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図である。この第３実施形態は、第２のスイッチングアーム１４をコンバータに適用したものであり、各相５レベルの電圧を出力する電力変換装置である。
【００３７】
コンバータを構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗで得られた直流は、４個のコンデンサＣ１〜Ｃ４で構成されるコンデンサアーム１２を介してインバータ１６に入力される。コンバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは同一構成であるので、以下、Ｕ相の第１のスイッチングアーム１３Ｕについて説明する。
【００３８】
Ｕ相の第１のスイッチングアーム１３Ｕは、４個のスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ４及び４個のダイオードＤｄｕ５〜Ｄｄｕ８が直列接続されて構成されている。
【００３９】
ダイオードＤｄｕ５の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第１のダイオードＤｄｕ１がコンデンサＣ１からダイオードＤｄｕ５への導通が可能なように接続されている。スイッチングデバイスＳｕ１の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第２のダイオードＤｄｕ２がスイッチングデバイスＳｕ１からコンデンサＣ１への導通が可能なように接続されている。スイッチングデバイスＳｕ３の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第３のダイオードＤｄｕ３がコンデンサＣ３からスイッチングデバイスＳｕ３への導通が可能なように接続されている。ダイオードＤｄｕ７の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第４のダイオードＤｄｕ４がスイッチングデバイスＳｕ７からコンデンサＣ３への導通が可能なように接続されている。
【００４０】
そして、ダイオードＤｄｕ６の下端とスイッチングデバイスＳｕ４の下端とを２個のダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０とで接続して、第２のスイッチングアーム１４Ｕが形成されている。すなわち、第２のスイッチングアーム１４Ｕは、第１のスイッチングアーム１３Ｕの上から２段目と３段目との接続点と、第１のスイッチングアーム１３Ｕの上から６段目と７段目との接続点とを２個のダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０で直列接続して形成されている。この第２のスイッチングアーム１４ＵのダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０の接続点からＵ相交流出力点を引き出す。Ｖ相、Ｗ相も同様の構成である。
【００４１】
次に、出力電圧と各スイッチングデバイスのオン、オフ状態との相関を説明する。表２は、図６に示した電力変換装置の各スイッチングデバイスのオン、オフ状態と出力電圧との相関を示す表である。
【表２】
【００４２】
いま、コンデンサアーム１２の中間点、すなわちコンデンサＣ２とコンデンサＣ３との接続点を接地点（＝電位ゼロ）のポイントとし、コンデンサアーム１２の両端の電圧をＶｄｃとすると、出力電圧は、＋Ｖｄｃ／２、＋Ｖｄｃ／４、０、−Ｖｄｃ／４、−Ｖｄｃ／２の５レベルの出力が可能になる。
【００４３】
出力電圧＋Ｖｄｃ／２を出したいときは、表２に示すように、全スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ４をオフにする。交流電圧が正で交流電流が正の状態なので、ダイオード通電により＋Ｖｄｃ／２が出力される。
【００４４】
出力電圧＋Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオン、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４５】
出力電圧０を出したいときは、２つのスイッチング状態を選択できる。それぞれ次のスイッチング状態への遷移を考慮に入れて最もスイッチング回数が小さくなるスイッチング状態を選択する。
【００４６】
一つ目のスイッチング状態は、スイッチングデバイスＳｕ１をオン、スイッチングデバイスＳｕ２をオン、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４７】
二つ目のスイッチング状態（Ｖ４）は、Ｓｕ１オフ、Ｓｕ２オフ、Ｓｕ３オン、Ｓｕ４オンのスイッチング状態組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４８】
出力電圧−Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４９】
出力電圧−Ｖｄｃ／２を出したいときは、全スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ４をオフにする。交流電圧が負で交流電流が負の状態なので、ダイオード通電により−Ｖｄｃ／２が出力される。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００５０】
第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、より小さな配線インダクタンスにすることが実装上可能になり、さらに第１実施形態よりもスイッチングデバイスの使用個数を減少させることが可能になるため、低コストで低高調波の整流回路を得ることが可能になる。
【００５１】
第２のスイッチングアーム１４を形成するダイオードＤｄｕ９及びダイオードＤｄｕ１０は、それぞれ単一のスイッチングデバイスで記述したが、耐電圧は、ダイオードＤｄｕ１〜Ｄｄｕ８に比べて２倍の電圧が印加されるため２倍以上の高耐圧素子を準備する必要がある。
【００５２】
そこで、図７に示すように、ダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０は、ダイオードＤｄｕ１〜Ｄｄｕ８と同一の耐圧素子を２直列のスイッチングデバイスＤｄｕ９ａ、Ｄｄｕ９ｂ、Ｄｄｕ１０ａ、Ｄｄｕ１０ｂで構成する。これにより、電力変換装置に使うスイッチングデバイスが統一され、構成をより容易にすることが可能になる。
【００５３】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。図８は本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図である。この第４実施形態は、図７に示した第３実施形態に対し、１段目にスイッチングデバイスＳｃ１を有し２段目及び３段目にダイオードＤｃ１、Ｄｃ２を有し４段目にスイッチングデバイスＳｃ２を有した第３のスイッチングアーム１５をコンデンサアーム１２に並列に接続するとともに、コンデンサアーム１２の上から１段目と２段目との接続点と第３のスイッチングアーム１５の上から１段目と２段目との接続点を接続する第１のリアクトルＬ１と、コンデンサアーム１２の上から３段目と４段目との接続点と第３のスイッチングアーム１２の上から３段目と４段目との接続点とを接続する第２のリアクトルＬ２とを設け、第１のスイッチングアーム１３Ｕの最上端とコンデンサアーム１２の最上端とを接続し、第１のスイッチングアームの最下端とコンデンサアーム１２の最下端とを接続したものである。図７と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５４】
第３のスイッチングアーム１５、第１のリアクトルＬ１、第２のリアクトルＬ２は、チョッパ回路として動作する。スイッチングデバイスＳｃ１、ダイオードＤｃ１、第１のリアクトルＬ１は、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧アンバランスを抑制するようにスイッチング動作させる。同様に、スイッチングデバイスＳｃ２、ダイオードＤｃ２、第２のリアクトルＬ２は、コンデンサＣ３、Ｃ４の電圧アンバランスを抑制するためにスイッチング動作させる。
【００５５】
コンデンサＣ１の電圧がコンデンサＣ２の電圧よりも大きいときは、スイッチングデバイスＳｃ１をオンさせることにより、コンデンサＣ１のエネルギーは第１のリアクトルＬ１に蓄積される。ここでスイッチングデバイスＳｃ１をオフすると、第１のリアクトルＬ１を流れる電流は、コンデンサＣ２、ダイオードＤｃ１を通じて流れ続ける結果、コンデンサＣ２が充電される。
【００５６】
第３実施形態の電力変換装置（コンバータ）は、交流から直流への整流動作限定で、直流から交流への変換は原理的にできない。これに起因してコンデンサＣ１とコンデンサＣ２のバランスは、必ずコンデンサＣ１よりもコンデンサＣ２が小さくなる。よって、第４の実施形態の構成によりコンデンサＣ２への充電ができ、コンデンサのバランス制御が達成できる。
【００５７】
第３実施形態でコンデンサ容量が十分に大きくないとコンデンサ電圧アンバランスが生じて、運転継続ができなくなることあるが、第４実施形態により、制御的にコンデンサ電圧アンバランスを抑制することが可能になり、多レベル電力変換装置のコンデンサの容量を低減することができ装置の小型化が可能になる。
【００５８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１１…コンバータ、１２…コンデンサアーム、１３…第１のスイッチングアーム、１４…第２のスイッチングアーム、１５…第３のスイッチングアーム
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直流を３相交流に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流を交流に変換して３相誘導電動機を可変速制御するモータドライブや、３相交流から直流に変換して直流から交流に変換するインバータの直流電源となるコンバータ電力変換装置には、３相２レベルインバータが適用されてきた。３相２レベルインバータは、直流から３相交流を出力する電力変換装置を構成する上で必要最小限の半導体スイッチング素子６個で構成されるため、小型低コスト化を図ることができる。
【０００３】
一方、その出力電圧波形は、入力直流電圧をVdcとしたとき、各相ごとに、＋Ｖｄｃ／２と、−Ｖｄｃ／２の２値の切替をＰＷＭ（パルス幅変調）で行い、擬似的に交流波形が生成された波形となっており、高耐圧のスイッチング周波数を使用していてＰＷＭスイッチング周波数を高く出来ない鉄道用モータドライブや、配電系統に接続される高圧モータドライブ、配電系統安定化用の無効電力補償装置などにおいては、スイッチング高調波に起因した電磁騒音が問題になる場合があった。配電系統接続機器においては、配電系統へ流出する高調波が規制値以下となるように、３相交流端にリアクトルとコンデンサからなるフィルタを挿入するが、このリアクトルとコンデンサの容量が大きくなっており、コスト向上と、重量増加を招いていた。
【０００４】
これに対して、電力変換器トポロジーを工夫して、出力電圧波形がより正弦波に近づくように、３レベルインバータ、５レベルインバータなどが検討され始めている。ダイオードクランプ式５レベルインバータは２レベルインバータや３レベルインバータに比較して、出力波形がより正弦波に近づくため、電磁騒音低減に効果的であり、配電系統接続の機器に適用した場合には３相交流出力リアクトル容量の低減によるコスト低減、重量低減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１９２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ダイオードクランプ式５レベルインバータは、５レベルの出力電圧を作成するために、回路構成が複雑となり、部品実装上、回路の配線インダクタンスを小さくすることが出来なくなるため、半導体スイッチング素子による電流遮断時の電圧跳ね上がりが大きくなってしまい、半導体スイッチング素子の電圧定格を超過して素子破壊を起こす懸念があった。または、電圧跳ね上がりエネルギーを吸収するために、抵抗、コンデンサ、ダイオードなどの部品からなるスナバ付帯回路を新たに追加しなければならなくなり、インバータの高コスト化、大型化を招く懸念があった。
【０００７】
本発明の実施形態は、インバータの回路構成を簡略化し、半導体スイッチング素子の電流遮断動作時の電圧跳ね上がりに悪影響を与える配線インダクタンスを小さくできる５レベル以上の多レベル電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、直流を３相交流に変換する電力変換装置であって、自己消弧能力を持つスイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとにより構成される８個のスイッチングデバイスを直列接続した第１のスイッチングアームを有する。前記第１のスイッチングアームと並列に４個のコンデンサを直列接続したコンデンサアームを有し、前記第１のスイッチングアームの上から４段目と５段目との接続点と前記コンデンサアームの上から２段目と３段目との接続点とを接続配線で短絡接続する。前記第１のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点とをコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に第１のダイオードを接続し、前記第１のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に第２のダイオードを接続し、前記第１のスイッチングアームの上から５段目と６段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に第３のダイオードを接続し、前記第１のスイッチングアームの上から７段目と８段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に第４のダイオードを接続する。さらに、前記第１のスイッチングアームの上から２段目と３段目との接続点と前記第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスを直列接続した第２のスイッチングアームを有し、前記コンデンサアームの上下両端に直流電源を接続し、前記第２のスイッチングアームの中間点を交流出力点として動作させる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の一例の構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の出力電圧のレベルを組み合わせて正弦波に近似した出力電圧とした場合の一例を示す波形図。
【図３】本発明の実施形態における電力変換装置で出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合のスイッチングデバイスＳｕ１、Ｓｕ２、Ｓｕ３のスイッチング状態を電流経路の説明図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の他の一例の構成図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の他の一例を示す構成図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の一例の構成図である。第１実施形態に係る電力変換装置は、直流を３相交流に変換するインバータであり、各相５レベルの電圧を出力する電力変換装置である。コンバータ１１で得られた直流は、４個のコンデンサＣ１〜Ｃ４で構成されるコンデンサアーム１２を介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗに入力され３相交流に変換される。スイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは同一構成であるので、スイッチングアーム１３Ｕについて説明する。
【００１１】
Ｕ相の第１のスイッチングアーム１３Ｕは、８個のスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ８が直列接続されて構成される。スイッチングデバイスＳｕ１の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第１のダイオードＤｄｕ１がコンデンサＣ１からスイッチングデバイスＳｕ１への導通が可能なように接続されている。同様に、スイッチングデバイスＳｕ３の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第２のダイオードＤｄｕ２がスイッチングデバイスＳｕ３からコンデンサＣ１への導通が可能なように接続されている。
【００１２】
また、スイッチングデバイスＳｕ５の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第３のダイオードＤｄｕ３がコンデンサＣ３からスイッチングデバイスＳｕ５への導通が可能なように接続され、スイッチングデバイスＳｕ７の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第４のダイオードＤｄｕ４がスイッチングデバイスＳｕ７からコンデンサＣ３への導通が可能なように接続されている。
【００１３】
そして、スイッチングデバイスＳｕ２の下端とスイッチングデバイスＳｕ６の下端とを２個のスイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０で接続して、第２のスイッチングアーム１４Ｕが形成されている。すなわち、第２のスイッチングアーム１４Ｕは、第１のスイッチングアーム１３Ｕの上から２段目と３段目との接続点と、第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０で直列接続して形成されている。この第２のスイッチングアーム１４ＵのスイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０の接続点からＵ相交流出力点を引き出す。Ｖ相、Ｗ相も同様の構成である。
【００１４】
次に、出力電圧と各スイッチングデバイスのオン、オフ状態との相関を説明する。表１は、図１に示した電力変換装置の各スイッチングデバイスのオン、オフ状態と出力電圧との相関を示す表である。
【表１】
【００１５】
いま、コンデンサアーム１２の中間点、すなわちコンデンサＣ２とコンデンサＣ３との接続点を接地点（＝電位ゼロ）のポイントとし、コンデンサアーム１２の両端の電圧をＶｄｃとすると、出力電圧は、＋Ｖｄｃ／２、＋Ｖｄｃ／４、０、−Ｖｄｃ／４、−Ｖｄｃ／２の５レベルの出力が可能になる。
【００１６】
出力電圧＋Ｖｄｃ／２を出したいときは、表１に示すように、スイッチングデバイスＳｕ１をオン、スイッチングデバイスＳｕ２をオン、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオン、スイッチングデバイスＳｕ１０をオフとしたスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ１０を制御する。
【００１７】
出力電圧＋Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオン、スイッチングデバイスＳｕ３をオン、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオン、スイッチングデバイスＳｕ１０をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００１８】
次に、出力電圧０を出したいときは、以下の２つのスイッチング状態のいずれかを選択できる。それぞれ次のスイッチング状態への遷移を考慮に入れて最もスイッチング回数が小さくなるスイッチング状態を選択する。
【００１９】
一つ目のスイッチング状態は、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオン、スイッチングデバイスＳｕ４をオン、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオン、スイッチングデバイスＳｕ１０をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００２０】
二つ目のスイッチング状態は、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオン、スイッチングデバイスＳｕ６をオン、スイッチングデバイスＳｕ７をオフ、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオフ、スイッチングデバイスＳｕ１０をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００２１】
また、出力電圧−Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオン、スイッチングデバイスＳｕ７をオン、スイッチングデバイスＳｕ８をオフ、スイッチングデバイスＳｕ９をオフ、スイッチングデバイスＳｕ１０をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００２２】
出力電圧−Ｖｄｃ／２を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフ、スイッチングデバイスＳｕ５をオフ、スイッチングデバイスＳｕ６をオフ、スイッチングデバイスＳｕ７をオン、スイッチングデバイスＳｕ８をオン、スイッチングデバイスＳｕ９をオフ、スイッチングデバイスＳｕ１０をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００２３】
図２は、これらの出力電圧、＋Ｖｄｃ／２、＋Ｖｄｃ／４、０、−Ｖｄｃ／４、−Ｖｄｃ／２の５レベルを組み合わせて、正弦波に近似した出力電圧とした場合の一例を示す波形図である。
【００２４】
次に、電流が負荷から電力変換装置（インバータ）へ流れ込む状態において、出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合について説明する。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態における電力変換装置で出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合のスイッチングデバイスＳｕ１、Ｓｕ２、Ｓｕ３のスイッチング状態を電流経路の説明図である。図３（ａ）に示すように、出力電圧＋Ｖｄｃ／４を出力している状態においては、電流は、Ｓｕ９、Ｓｕ３、Ｄｄｕ２、Ｃ１の順に負荷から電源（コンバータ）へ流れる経路Ｅ１となる。この状態で、出力電圧＋Ｖｄｃ／２に切り替えるときは、Ｓｕ９、Ｓｕ２、Ｓｕ１の順に負荷から電源へ流れる経路Ｅ２となる。この場合、電圧レベル切替のためにＳｕ３が電流を遮断することになるが、このときの電圧跳ね上がりは、電流切替経路Ｅ３の配線インダクタンスに依存する。そのため、電圧跳ね上がりを小さくするためには経路Ｅ３のインダクタンスが小さくなるように、経路Ｅ３を形成する素子を近接配置することが必要になる。
【００２６】
一方、図３（ｂ）は従来の電力変換装置で出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替える場合の電流経路の説明図である。従来のクランプダイオード型５レベルインバータにおいても同様に出力電圧を＋Ｖｄｃ／４から＋Ｖｄｃ／２に切り替えたとき、電流経路Ｅ１から電流経路Ｅ２に切り替わる。この電圧レベル切替に際して、上から５個目のスイッチングデバイスＳｕ５が電流を遮断する。このときの電圧跳ね上がりは、電流切替経路Ｅ３には、配線インダクタンスに依存するため、同様にこの経路Ｅ３のインダクタンスが小さくなるように、経路Ｅ３を形成する素子を近接配置することが必要になる。
【００２７】
しかしながら、この経路の中には、スイッチングデバイスが５個、クランプダイオードが３個が含まれ、それらを近接配置したとしても配線インダクタンスを小さくすることには限界がある。これに対して本発明の実施形態の回路構成における経路Ｅ３に含まれる部品点数は少ないため、より小さな配線インダクタンスにすることができる。
【００２８】
以上の説明では、スイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０は、それぞれ単一のスイッチングデバイスで記述したが、耐電圧は、スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ８に比べて２倍の電圧が印加されるため、２倍以上の高耐圧素子を準備する必要がある。
【００２９】
そこで、図４に示すように、スイッチングデバイスＳｕ９、Ｓｕ１０は、スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ８と同一の耐圧素子を２直列のスイッチングデバイスＳｕ９ａ、Ｓｕ９ｂ、Ｓｕ１０ａ、Ｓｕ１０ｂで構成する。これにより、電力変換装置に使うスイッチングデバイスが統一され、構成をより容易にすることが可能になる。
【００３０】
第１の実施の形態によれば、第１のスイッチングアーム１３の上から２段目と３段目との接続点と、第１のスイッチングアーム１３の上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスＳＵ９、Ｓｕ１０を直列接続した第２のスイッチングアーム１４を形成するので、電圧レベル切替の際に形成する電流切替経路のインダクタンスをより小さいものにすることができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図である。この第２実施形態は、図４に示した第１実施形態に対し、４個のスイッチングデバイスＳｃ１〜Ｓｃ４を直列接続した第３のスイッチングアーム１５をコンデンサアーム１２に並列に接続するとともに、コンデンサアーム１２の上から１段目と２段目との接続点と第３のスイッチングアーム１５の上から１段目と２段目との接続点とを接続する第１のリアクトルＬ１と、コンデンサアーム１２の上から３段目と４段目との接続点と第３のスイッチングアーム１５の上から３段目と４段目との接続点を接続する第２のリアクトルＬ２とを設け、第１のスイッチングアーム１３Ｕの最上端とコンデンサアーム１２の最上端とを接続し、第１のスイッチングアーム１３Ｕの最下端とコンデンサアーム１２の最下端とを接続したものである。図４と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３２】
第３のスイッチングアーム１５、第１のリアクトルＬ１、第２のリアクトルＬ２は、チョッパ回路として動作する。スイッチングデバイスＳｃ１、Ｓｃ２と、リアクトルＬ１は、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧アンバランスを抑制するようにスイッチング動作させる。同様に、スイッチングデバイスＳｃ３、Ｓｃ４と、リアクトルＬ２は、コンデンサＣ３、Ｃ４の電圧アンバランスを抑制するためにスイッチング動作させる。
【００３３】
コンデンサＣ１の電圧がコンデンサＣ２の電圧よりも大きいときは、スイッチングデバイスＳｃ１をオンさせることにより、コンデンサＣ１のエネルギーはリアクトルＬ１に蓄積される。ここでスイッチングデバイスＳｃ１をオフすると、リアクトルＬ１を流れる電流は、コンデンサＣ２、スイッチングデバイスＳｃ２の逆導通ダイオードを通じて流れ続ける結果、コンデンサＣ２が充電される。
【００３４】
逆にコンデンサＣ２の電圧がコンデンサ電圧のＣ１よりも大きいときは、スイッチングデバイスＳｃ２をオンさせることにより、コンデンサＣ２のエネルギーはリアクトルＬ１に蓄積される。ここでスイッチングデバイスＳｃ２をオフすると、リアクトルＬ１を流れる電流は、スイッチングデバイスＳｃ２の逆導通ダイオード、コンデンサＣ１を通じて流れ続ける結果、コンデンサＣ１が充電される。
【００３５】
第１実施形態では、コンデンサ容量が十分に大きくないとコンデンサ電圧にアンバランスが生じて運転継続ができなくなることがあるが、第２実施形態では、制御的にコンデンサ電圧のアンバランスを抑制することが可能になり、多レベル電力変換装置のコンデンサの容量を低減することができ装置の小型化が可能になる。
【００３６】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図６は本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図である。この第３実施形態は、第２のスイッチングアーム１４をコンバータに適用したものであり、各相５レベルの電圧を出力する電力変換装置である。
【００３７】
コンバータを構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗで得られた直流は、４個のコンデンサＣ１〜Ｃ４で構成されるコンデンサアーム１２を介してインバータ１６に入力される。コンバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチングアーム１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは同一構成であるので、以下、Ｕ相の第１のスイッチングアーム１３Ｕについて説明する。
【００３８】
Ｕ相の第１のスイッチングアーム１３Ｕは、４個のスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ４及び４個のダイオードＤｄｕ５〜Ｄｄｕ８が直列接続されて構成されている。
【００３９】
ダイオードＤｄｕ５の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第１のダイオードＤｄｕ１がコンデンサＣ１からダイオードＤｄｕ５への導通が可能なように接続されている。スイッチングデバイスＳｕ１の下端とコンデンサＣ１の下端との間には、第２のダイオードＤｄｕ２がスイッチングデバイスＳｕ１からコンデンサＣ１への導通が可能なように接続されている。スイッチングデバイスＳｕ３の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第３のダイオードＤｄｕ３がコンデンサＣ３からスイッチングデバイスＳｕ３への導通が可能なように接続されている。ダイオードＤｄｕ７の下端とコンデンサＣ３の下端との間には、第４のダイオードＤｄｕ４がスイッチングデバイスＳｕ７からコンデンサＣ３への導通が可能なように接続されている。
【００４０】
そして、ダイオードＤｄｕ６の下端とスイッチングデバイスＳｕ４の下端とを２個のダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０とで接続して、第２のスイッチングアーム１４Ｕが形成されている。すなわち、第２のスイッチングアーム１４Ｕは、第１のスイッチングアーム１３Ｕの上から２段目と３段目との接続点と、第１のスイッチングアーム１３Ｕの上から６段目と７段目との接続点とを２個のダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０で直列接続して形成されている。この第２のスイッチングアーム１４ＵのダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０の接続点からＵ相交流出力点を引き出す。Ｖ相、Ｗ相も同様の構成である。
【００４１】
次に、出力電圧と各スイッチングデバイスのオン、オフ状態との相関を説明する。表２は、図６に示した電力変換装置の各スイッチングデバイスのオン、オフ状態と出力電圧との相関を示す表である。
【表２】
【００４２】
いま、コンデンサアーム１２の中間点、すなわちコンデンサＣ２とコンデンサＣ３との接続点を接地点（＝電位ゼロ）のポイントとし、コンデンサアーム１２の両端の電圧をＶｄｃとすると、出力電圧は、＋Ｖｄｃ／２、＋Ｖｄｃ／４、０、−Ｖｄｃ／４、−Ｖｄｃ／２の５レベルの出力が可能になる。
【００４３】
出力電圧＋Ｖｄｃ／２を出したいときは、表２に示すように、全スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ４をオフにする。交流電圧が正で交流電流が正の状態なので、ダイオード通電により＋Ｖｄｃ／２が出力される。
【００４４】
出力電圧＋Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオン、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４５】
出力電圧０を出したいときは、２つのスイッチング状態を選択できる。それぞれ次のスイッチング状態への遷移を考慮に入れて最もスイッチング回数が小さくなるスイッチング状態を選択する。
【００４６】
一つ目のスイッチング状態は、スイッチングデバイスＳｕ１をオン、スイッチングデバイスＳｕ２をオン、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオフのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４７】
二つ目のスイッチング状態（Ｖ４）は、Ｓｕ１オフ、Ｓｕ２オフ、Ｓｕ３オン、Ｓｕ４オンのスイッチング状態組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４８】
出力電圧−Ｖｄｃ／４を出したいときは、スイッチングデバイスＳｕ１をオフ、スイッチングデバイスＳｕ２をオフ、スイッチングデバイスＳｕ３をオフ、スイッチングデバイスＳｕ４をオンのスイッチング状態の組合せでスイッチングデバイスを制御する。
【００４９】
出力電圧−Ｖｄｃ／２を出したいときは、全スイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ４をオフにする。交流電圧が負で交流電流が負の状態なので、ダイオード通電により−Ｖｄｃ／２が出力される。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００５０】
第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、より小さな配線インダクタンスにすることが実装上可能になり、さらに第１実施形態よりもスイッチングデバイスの使用個数を減少させることが可能になるため、低コストで低高調波の整流回路を得ることが可能になる。
【００５１】
第２のスイッチングアーム１４を形成するダイオードＤｄｕ９及びダイオードＤｄｕ１０は、それぞれ単一のスイッチングデバイスで記述したが、耐電圧は、ダイオードＤｄｕ１〜Ｄｄｕ８に比べて２倍の電圧が印加されるため２倍以上の高耐圧素子を準備する必要がある。
【００５２】
そこで、図７に示すように、ダイオードＤｄｕ９、Ｄｄｕ１０は、ダイオードＤｄｕ１〜Ｄｄｕ８と同一の耐圧素子を２直列のスイッチングデバイスＤｄｕ９ａ、Ｄｄｕ９ｂ、Ｄｄｕ１０ａ、Ｄｄｕ１０ｂで構成する。これにより、電力変換装置に使うスイッチングデバイスが統一され、構成をより容易にすることが可能になる。
【００５３】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。図８は本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の一例を示す構成図である。この第４実施形態は、図７に示した第３実施形態に対し、１段目にスイッチングデバイスＳｃ１を有し２段目及び３段目にダイオードＤｃ１、Ｄｃ２を有し４段目にスイッチングデバイスＳｃ２を有した第３のスイッチングアーム１５をコンデンサアーム１２に並列に接続するとともに、コンデンサアーム１２の上から１段目と２段目との接続点と第３のスイッチングアーム１５の上から１段目と２段目との接続点を接続する第１のリアクトルＬ１と、コンデンサアーム１２の上から３段目と４段目との接続点と第３のスイッチングアーム１２の上から３段目と４段目との接続点とを接続する第２のリアクトルＬ２とを設け、第１のスイッチングアーム１３Ｕの最上端とコンデンサアーム１２の最上端とを接続し、第１のスイッチングアームの最下端とコンデンサアーム１２の最下端とを接続したものである。図７と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５４】
第３のスイッチングアーム１５、第１のリアクトルＬ１、第２のリアクトルＬ２は、チョッパ回路として動作する。スイッチングデバイスＳｃ１、ダイオードＤｃ１、第１のリアクトルＬ１は、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧アンバランスを抑制するようにスイッチング動作させる。同様に、スイッチングデバイスＳｃ２、ダイオードＤｃ２、第２のリアクトルＬ２は、コンデンサＣ３、Ｃ４の電圧アンバランスを抑制するためにスイッチング動作させる。
【００５５】
コンデンサＣ１の電圧がコンデンサＣ２の電圧よりも大きいときは、スイッチングデバイスＳｃ１をオンさせることにより、コンデンサＣ１のエネルギーは第１のリアクトルＬ１に蓄積される。ここでスイッチングデバイスＳｃ１をオフすると、第１のリアクトルＬ１を流れる電流は、コンデンサＣ２、ダイオードＤｃ１を通じて流れ続ける結果、コンデンサＣ２が充電される。
【００５６】
第３実施形態の電力変換装置（コンバータ）は、交流から直流への整流動作限定で、直流から交流への変換は原理的にできない。これに起因してコンデンサＣ１とコンデンサＣ２のバランスは、必ずコンデンサＣ１よりもコンデンサＣ２が小さくなる。よって、第４の実施形態の構成によりコンデンサＣ２への充電ができ、コンデンサのバランス制御が達成できる。
【００５７】
第３実施形態でコンデンサ容量が十分に大きくないとコンデンサ電圧アンバランスが生じて、運転継続ができなくなることあるが、第４実施形態により、制御的にコンデンサ電圧アンバランスを抑制することが可能になり、多レベル電力変換装置のコンデンサの容量を低減することができ装置の小型化が可能になる。
【００５８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１１…コンバータ、１２…コンデンサアーム、１３…第１のスイッチングアーム、１４…第２のスイッチングアーム、１５…第３のスイッチングアーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を３相交流に変換する電力変換装置であって、
自己消弧能力を持つスイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとにより構成される８個のスイッチングデバイスを直列接続した第１のスイッチングアームと、
前記第１のスイッチングアームと並列に４個のコンデンサを直列接続したコンデンサアームと、
前記第１のスイッチングアームの上から４段目と５段目との接続点と前記コンデンサアームの上から２段目と３段目との接続点とを短絡接続する接続配線と、
前記第１のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点とをコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第１のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第２のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から５段目と６段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第３のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から７段目と８段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第４のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から２段目と３段目との接続点と前記第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスを直列接続した第２のスイッチングアームとで構成され、
前記コンデンサアームの上下両端に直流電源を接続し、前記第２のスイッチングアームの中間点を交流出力点として動作させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第２のスイッチングアームは、２個のスイッチングデバイスの直列接続に代えて、
４個のスイッチングデバイスを直列接続したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記コンデンサアームに並列に接続され４個のスイッチングデバイスを直列接続した第３のスイッチングアームと、
前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点と前記第３のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点とを接続する第１のリアクトルと、
前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点と前記第３のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点を接続する第２のリアクトルとを備え、
前記第１のスイッチングアームの最上端と前記コンデンサアームの最上端とを接続し、前記第１のスイッチングアームの最下端と前記コンデンサアームの最下端とを接続したことを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
３相交流を直流に変換する整流用電力変換装置であって、
４個直列に接続したコンデンサアームと、
自己消弧能力を持つスイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとにより構成される４個のスイッチングデバイスを直列接続し、前記スイッチングデバイスの直列接続の最上端から前記コンデンサアームの最上端とをスイッチングデバイス側からコンデンサアーム側に電流が流れるように第１の２直列ダイオードで接続し、前記スイッチングデバイスの直列接続の最下端から前記コンデンサアームの最下端とをコンデンサアーム側からスイッチングデバイス側に電流が流れるように第２の２直列ダイオードで接続して構成される第１のスイッチングアームと、
前記スイッチングアームの上から４段目と５段目との接続点と前記コンデンサアームの上から２段目と３段目との接続点とを短絡接続する接続配線と、
前記スイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第１のダイオードと、
前記スイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第２のダイオードと、
前記スイッチングアームの上から５段目と６段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第３のダイオードと、
前記スイッチングアームの上から７段目と８段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第４のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から２段目と３段目との接続点と前記第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個直列接続したダイオードで接続する第２のスイッチングアームとで構成され、
前記コンデンサアームの上下両端に直流負荷を接続し、前記第２のスイッチングアームの中間点を交流電源を接続して動作させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記第２のスイッチングアームは、２個のダイオードの直列接続に代えて、４個のダイオードを直列接続したことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記コンデンサアームに並列に接続され１段目にスイッチングデバイスを有し２段目及び３段目にダイオードを有し４段目にスイッチングデバイスを有しこれらを直列接続した第３のスイッチングアームと、
前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点と第３のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点を接続する第１のリアクトルと、
前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点と前記第３のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点とを接続する第２のリアクトルとを備え、
前記第１のスイッチングアームの最上端とコンデンサアームの最上端とを接続し、前記第１のスイッチングアームの最下端とコンデンサアームの最下端とを接続したことを特徴とする請求項４または５記載の電力変換装置。
【請求項１】
直流を３相交流に変換する電力変換装置であって、
自己消弧能力を持つスイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとにより構成される８個のスイッチングデバイスを直列接続した第１のスイッチングアームと、
前記第１のスイッチングアームと並列に４個のコンデンサを直列接続したコンデンサアームと、
前記第１のスイッチングアームの上から４段目と５段目との接続点と前記コンデンサアームの上から２段目と３段目との接続点とを短絡接続する接続配線と、
前記第１のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点とをコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第１のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第２のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から５段目と６段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第３のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から７段目と８段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第４のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から２段目と３段目との接続点と前記第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個のスイッチングデバイスを直列接続した第２のスイッチングアームとで構成され、
前記コンデンサアームの上下両端に直流電源を接続し、前記第２のスイッチングアームの中間点を交流出力点として動作させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第２のスイッチングアームは、２個のスイッチングデバイスの直列接続に代えて、
４個のスイッチングデバイスを直列接続したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記コンデンサアームに並列に接続され４個のスイッチングデバイスを直列接続した第３のスイッチングアームと、
前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点と前記第３のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点とを接続する第１のリアクトルと、
前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点と前記第３のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点を接続する第２のリアクトルとを備え、
前記第１のスイッチングアームの最上端と前記コンデンサアームの最上端とを接続し、前記第１のスイッチングアームの最下端と前記コンデンサアームの最下端とを接続したことを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
３相交流を直流に変換する整流用電力変換装置であって、
４個直列に接続したコンデンサアームと、
自己消弧能力を持つスイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとにより構成される４個のスイッチングデバイスを直列接続し、前記スイッチングデバイスの直列接続の最上端から前記コンデンサアームの最上端とをスイッチングデバイス側からコンデンサアーム側に電流が流れるように第１の２直列ダイオードで接続し、前記スイッチングデバイスの直列接続の最下端から前記コンデンサアームの最下端とをコンデンサアーム側からスイッチングデバイス側に電流が流れるように第２の２直列ダイオードで接続して構成される第１のスイッチングアームと、
前記スイッチングアームの上から４段目と５段目との接続点と前記コンデンサアームの上から２段目と３段目との接続点とを短絡接続する接続配線と、
前記スイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第１のダイオードと、
前記スイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点と前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第２のダイオードと、
前記スイッチングアームの上から５段目と６段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点をコンデンサアーム側から第１のスイッチングアーム側に電流が流れる方向に接続した第３のダイオードと、
前記スイッチングアームの上から７段目と８段目との接続点と前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点を第１のスイッチングアーム側からコンデンサアーム側に電流が流れる方向に接続した第４のダイオードと、
前記第１のスイッチングアームの上から２段目と３段目との接続点と前記第１のスイッチングアームの上から６段目と７段目との接続点とを２個直列接続したダイオードで接続する第２のスイッチングアームとで構成され、
前記コンデンサアームの上下両端に直流負荷を接続し、前記第２のスイッチングアームの中間点を交流電源を接続して動作させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記第２のスイッチングアームは、２個のダイオードの直列接続に代えて、４個のダイオードを直列接続したことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記コンデンサアームに並列に接続され１段目にスイッチングデバイスを有し２段目及び３段目にダイオードを有し４段目にスイッチングデバイスを有しこれらを直列接続した第３のスイッチングアームと、
前記コンデンサアームの上から１段目と２段目との接続点と第３のスイッチングアームの上から１段目と２段目との接続点を接続する第１のリアクトルと、
前記コンデンサアームの上から３段目と４段目との接続点と前記第３のスイッチングアームの上から３段目と４段目との接続点とを接続する第２のリアクトルとを備え、
前記第１のスイッチングアームの最上端とコンデンサアームの最上端とを接続し、前記第１のスイッチングアームの最下端とコンデンサアームの最下端とを接続したことを特徴とする請求項４または５記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２５３９２７（Ｐ２０１２−２５３９２７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５１７８（Ｐ２０１１−１２５１７８）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]