CN111164877A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

功率转换装置(10)包括：与直流电源并联的、被串联连接的飞跨电容器电路(11)及(12)；与直流电源及串联连接的飞跨电容器电路(11)及(12)并联的、被串联连接的飞跨电容器电路(13)及(14)；串联连接于飞跨电容器电路(11)及(12)的输出端子之间的开关元件(S1)及(S2)；串联连接于飞跨电容器电路(13)及(14)的输出端子之间的开关元件(S3)及(S4)；设于开关元件(S1)及(S2)的中点的第1输出端(OUT1)；以及设于开关元件(S3)及(S4)的中点的第2输出端(OUT2)。飞跨电容器电路(11)及(12)的连接点、以及飞跨电容器电路(13)及(14)的连接点与直流电源电压的中点连接，从第1输出端(OUT1)和第2输出端(OUT2)输出交流功率。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及功率转换装置。
背景技术
在与变频电机、太阳能发电系统、蓄电池、燃料电池等连接的功率调节器等中，利用包含多电平逆变器的功率转换装置(例如，专利文献1)。
图12是专利文献1的图2所示的逆变器装置的电路图。逆变器装置101包括输入直流电源电压的第1输入端IN1、第2输入端IN2、输出交流电压的第1输出端OUT1及第2输出端OUT2。在第1输入端IN1与地之间连接有第1三电平电路121，在第2输入端IN2与地之间连接有第2三电平电路122，在第1三电平电路121与第2三电平电路122之间连结有桥式钳位电路130。
对第1输入端IN1施加Vdc/2，对第2输入端IN2施加-Vdc/2。第1三电平电路121的输出端的电位取Vdc/2～0的范围，第2三电平电路122的输出端的电位取0～-Vdc/2的范围。因此，逆变器装置101通过第1三电平电路121及第2三电平电路122而作为使用5个电压电平来进行电压转换的五电平电路发挥作用。
桥式钳位电路130切换将第1三电平电路121的输出介由电感器L1向第1输出端OUT1连接(钳位)、并且将第2三电平电路122的输出介由电感器L2向第2输出端OUT2连接(钳位)的状态(第1状态)，与将第1三电平电路121的输出介由电感器L2向第2输出端OUT2连接(钳位)、并且将第2三电平电路122的输出介由电感器L1向第1输出端OUT1连接(钳位)的状态(第2状态)。第1状态与系统的电源频率的前半周期对应、第2状态与系统的电源频率的后半周期对应。
[在先技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特许第5626293号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
由于专利文献1所记载的逆变器装置串联连接2个飞跨电容器型的三电平电路，所以开关元件S1～S8分别能够使用低耐压的开关元件，但构成输出级的桥式钳位电路130的开关元件S1U、S2U、S1W、S2W需要使用高耐压的开关元件。本发明人等认识到如下课题：开发一种能将更廉价且高性能的低耐压的开关元件使用于输出级的开关元件的功率转换装置。
本发明的目的在于提供一种解决所述以往的课题、更廉价且高性能的功率转换装置。
[用于解决技术课题的技术方案]
为了解决上述课题，本发明的一个方式的功率转换装置包括：与直流电源并联地串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路；与直流电源及串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路并联地串联连接的第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路；串联连接于第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路的输出端子之间的第1开关元件及第2开关元件；串联连接于第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路的输出端子之间的第3开关元件及第4开关元件；设于串联连接的第1开关元件及第2开关元件的中点的第1输出端子；以及设于串联连接的第3开关元件及第4开关元件的中点的第2输出端子。第1飞跨电容器电路与第2飞跨电容器电路的连接点、及第3飞跨电容器电路与第4飞跨电容器电路的连接点与直流电源电压的中点连接，从第1输出端子与第2输出端子输出交流功率。
本发明的另一方式的功率转换装置包括：与直流电源并联地串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路；与直流电源及串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路并联地串联连接的第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路；串联连接于第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路的输出端子之间的第1开关元件及第2开关元件；串联连接于第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路的输出端子之间的第3开关元件及第4开关元件；设于串联连接的第1开关元件及第2开关元件的中点的第1输出端子；以及设于串联连接的第3开关元件及第4开关元件的中点的第2输出端子。第1飞跨电容器电路与第2飞跨电容器电路的连接点、及第3飞跨电容器电路与第4飞跨电容器电路的连接点与直流电源电压的中点连接；从第1输出端子与第2输出端子输出交流功率；第1飞跨电容器电路的输出电压与第2飞跨电容器电路的输出电压的差、及第3飞跨电容器电路的输出电压与第4飞跨电容器电路的输出电压的差，被控制成为所述直流电源电压的一半的电压以下；第1开关元件、第2开关元件、第3开关元件及第4开关元件被控制为在第1输出端子及第2输出端子输出的交流功率的极性切换时进行动作；作为从第1输出端子与第2输出端子输出直流电源电压的一半的电压时的、构成第1飞跨电容器电路、第2飞跨电容器电路、第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路的开关元件的开关模式，有构成第1飞跨电容器电路、第2飞跨电容器电路、第3飞跨电容器电路、或第4飞跨电容器电路的飞跨电容器被充电的第1开关模式和被放电的第2开关模式。
[发明效果]
根据本发明，能够提供一种更廉价且高性能的功率转换装置。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的功率转换装置的电路图。
图2是本发明的第2实施方式的功率转换装置的电路图。
图3是表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第1示例中，输出U相为+且W相为-的极性的输出电压时的开关模式的图。
图4是表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第1示例中，输出U相为-且W相为+的极性的输出电压时的开关模式的图。
图5是表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第2示例中，输出U相为+且W相为-的极性的输出电压时的开关模式的图。
图6是表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第2示例中，输出U相为-且W相为+的极性的输出电压时的开关模式的图。
图7是表示图3的(b)所示的开关模式(2)及图3的(c)所示的开关模式(3)的另一示例的图。
图8是表示实施方式的功率转换装置的控制方法的第1示例的图。
图9是表示实施方式的功率转换装置的控制方法的第2示例的图。
图10是表示实施方式的功率转换装置的控制方法的第3示例的图。
图11是表示实施方式的功率转换装置的飞跨电容器电路的另一示例的图。
图12是专利文献1的图2所示的功率转换装置的电路图。
具体实施方式
图1是本发明的第1实施方式的功率转换装置的电路图。功率转换装置10包括：输入直流电源电压的第1输入端IN1、第2输入端IN2；与直流电源并联的串联连接的第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12；与直流电源及串联连接的第1飞跨电容器电路11和第2飞跨电容器电路12并联的、串联连接的第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14；串联连接于第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12的输出端子之间的第1开关元件S1及第2开关元件S2；串联连接于第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14的输出端子之间的第3开关元件S3及第4开关元件S4；设于串联连接的第1开关元件S1及第2开关元件S2的中点的第1输出端OUT1；以及设于串联连接的第3开关元件S3及第4开关元件S4的中点的第2输出端OUT2。
在以下的说明中，主要对从第1输入端IN1及第2输入端IN2输入直流电源电压，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出交流功率时的动作进行说明，但该功率转换装置10具有双向性，也能够从交流侧向直流侧输送功率。在这种情况下，输入与输出反转，第1输出端OUT1及第2输出端OUT2成为第1输入端IN1及第2输入端IN2，第1输入端IN1及第2输入端IN2成为第1输出端OUT1及第2输出端OUT2。
在图1所示的功率转换装置10中，使用能够输出三电平的电压的三电平电路作为第1～第4飞跨电容器电路11～14，但如后述那样，作为第1～第4飞跨电容器电路11～14，也可以使用能够输出(2N+3)电平(其中，N是自然数)的电压的多电平电路。
在第1输入端IN1与第2输入端IN2之间，串联连接有电容值相同的2个电容器C1及C2。因为2个电容器C1及C2具有相同的电容值，所以2个电容器C1及C2各自的端子间电压分别等于直流电源电压E的一半(E/2)。因此，若将第1输入端IN1的电位设为E[V]、将第2输入端IN2的电位设为0[V]，则电容器C1与电容器C2的连接点的电位为E/2[V]。像这样，在图1所示的功率转换装置10中，通过2个电容器C1及C2对直流电源电压进行分压，但在另一示例中，也可以通过2个电阻器对直流电源电压进行分压，还可以连接2个分别为E/2[V]的直流电源。第1飞跨电容器电路11与第2飞跨电容器电路12的连接点、及第3飞跨电容器电路13与第4飞跨电容器电路14的连接点，与被2个电容器C1及C2分压的直流电源电压的中点连接。
第1～第4飞跨电容器电路11～14都是飞跨电容器型的三电平电路，分别由串联连接的4个开关元件和1个飞跨电容器构成。此外，在另一示例中，可以使用飞跨电容器型以外的三电平电路，也可以使用比三电平更多的多电平电路。
第1飞跨电容器电路11由4个开关元件S5a、S5b、S5c、S5d和1个飞跨电容器FC1构成。4个开关元件S5a～S5d由N沟道的MOSFET构成，在各MOSFET的源极/漏极之间连接有体二极管。4个开关元件S5a～S5d按照S5a、S5b、S5c、S5d的顺序串联连接，开关元件S5a连接于第1输入端IN1，开关元件S5d连接于电容器C1与电容器C2的连接点。飞跨电容器FC1的一端连接于开关元件S5a与开关元件S5b的连接点，飞跨电容器FC1的另一端连接于开关元件S5c与开关元件S5d的连接点。因此，从设于开关元件S5b与开关元件S5c的连接点的输出端输出从开关元件S5a输入的电位E[V]与从开关元件S5d输入的电位E/2[V]之间的范围的电位，但因为飞跨电容器FC1被以成为E/4[V]的电压的方式预充电、并以E/4[V]的电压为中心反复进行充放电，所以从第1飞跨电容器电路11输出大致E[V]、3E/4[V]、E/2[V]这三电平的电位。
第2飞跨电容器电路12由4个开关元件S6a、S6b、S6c、S6d和1个飞跨电容器FC2构成。4个开关元件S6a～S6d由N沟道的MOSFET构成，在各MOSFET的源极/漏极之间连接有体二极管。4个开关元件S6a～S6d按照S6a、S6b、S6c、S6d的顺序串联连接，开关元件S6a连接于电容器C1与电容器C2的连接点，开关元件S6d连接于第2输入端IN2。飞跨电容器FC2的一端连接于开关元件S6a与开关元件S6b的连接点，飞跨电容器FC2的另一端连接于开关元件S6c与开关元件S6d的连接点。因此，从设于开关元件S6b与开关元件S6c的连接点的输出端输出从开关元件S6a输入的电位E/2[V]与从开关元件S6d输入的电位0[V]之间的范围的电位，但因为飞跨电容器FC2被以成为E/4[V]的电压的方式预充电、并以E/4[V]的电压为中心反复进行充放电，所以从第2飞跨电容器电路12输出大致E/2[V]、E/4[V]、0[V]这三个电平的电位。
第3飞跨电容器电路13由4个开关元件S7a、S7b、S7c、S7d和1个飞跨电容器FC3构成。4个开关元件S7a～S7d由N沟道的MOSFET构成，在各MOSFET的源极/漏极之间连接有体二极管。4个开关元件S7a～S7d按照S7a、S7b、S7c、S7d的顺序串联连接，开关元件S7a连接于第1输入端IN1，开关元件S7d连接于电容器C1与电容器C2的连接点。飞跨电容器FC3的一端连接于开关元件S7a与开关元件S7b的连接点，飞跨电容器FC3的另一端连接于开关元件S7c与开关元件S7d的连接点。因此，从设于开关元件S7b与开关元件S7c的连接点的输出端输出从开关元件S7a输入的电位E[V]与从开关元件S7d输入的电位E/2[V]之间的范围的电位，但因为飞跨电容器FC3被以成为E/4[V]的电压的方式预充电、并以E/4[V]的电压为中心反复进行充放电，所以从第3飞跨电容器电路13输出大致E[V]、3E/4[V]、E/2[V]这三电平的电位。
第4飞跨电容器电路14由4个开关元件S8a、S8b、S8c、S8d和1个飞跨电容器FC4构成。4个开关元件S8a～S8d由N沟道的MOSFET构成，在各MOSFET的源极/漏极之间连接有体二极管。4个开关元件S8a～S8d按照S8a、S8b、S8c、S8d的顺序串联连接，开关元件S8a连接于电容器C1与电容器C2的连接点，开关元件S8d连接于第2输入端IN2。飞跨电容器FC4的一端连接于开关元件S8a与开关元件S8b的连接点，飞跨电容器FC4的另一端连接于开关元件S8c与开关元件S8d的连接点。因此，从设于开关元件S8b与开关元件S8c的连接点的输出端输出从开关元件S8a输入的电位E/2[V]与从开关元件S8d输入的电位0[V]之间的范围的电位，但因为飞跨电容器FC4被以成为E/4[V]的电压的方式预充电、并以E/4[V]的电压为中心反复进行充放电，所以从第4飞跨电容器电路14输出大致E/2[V]、E/4[V]、0[V]这三电平的电位。
在本实施方式的功率转换装置10中，因为4个三电平电路全部由飞跨电容器型的三电平电路构成，所以能够使构成4个飞跨电容器电路11～14的所有开关元件的耐压为E/4[V]。由此，因为能够使用廉价且高性能的MOSFET等低耐压开关元件，所以能够提供廉价且高性能的功率转换装置。此外，在另一示例中，也可以使构成4个飞跨电容器电路11～14的开关元件的一部分或全部由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等其他开关元件构成。
如后述这样，在本实施方式的功率转换装置的控制方法中，对2个飞跨电容器电路11及12进行控制，以使串联连接的2个飞跨电容器电路11及12的输出电压的差为E/2[V]以下。另外，对2个飞跨电容器电路13及14进行控制，以使串联连接的2个飞跨电容器电路13及14的输出电压的差也为E/2[V]以下。因此，作为输出级的开关元件S1～S4，能够使用耐压为E/2[V]的开关元件。由此，因为能够将廉价且高性能的MOSFET等低耐压开关元件也用于输出级，所以能够提供廉价且高性能的功率转换装置。另外，通过使用低耐压开关元件从而能够降低在开关元件切换时产生的恢复电流，因此能够抑制由恢复电流引起的元件的损伤。
另外，如后述这样，在本实施方式的功率转换装置的控制方法中，输出级的开关元件S1～S4被控制为仅在输出电压的极性切换时动作。因此，开关元件S1～S4的占空比控制的频率比构成4个飞跨电容器电路11～14的开关元件的占空比控制的频率低很多。因此，能够采用将更低耐压的多个开关元件串联连接的构成以代替各开关元件S1～S4。这是由于在本实施方式的功率转换装置10中，在输出级的开关元件中，即使产生由输入到串联连接的多个开关元件的控制信号的上升或下降的时刻的偏差、或开关元件的特性的差异等引起的、多个开关元件的接通断开的时刻的些许偏差，也能够通过缓冲电路等抑制电压的急剧上升而适当地进行保护。此外，在后述的控制方法的第2示例的开关模式中，因为在电压为零的状态下能够对开关元件S1～S4进行开关，所以进一步地允许时刻的偏差。
图2是本发明的第2实施方式的功率转换装置的电路图。图2所示的功率转换装置10将图1所示的功率转换装置10的输出级的开关元件S1～S4分别置换为串联连接的2个开关元件。除此之外的构成与图1相同。
根据这样的构成，因为与图1所示的功率转换装置10相比、能够使输出级的开关元件的耐压进一步减半，所以输出级的开关元件S1a～S4b的耐压全部为E/4[V]。因此，作为构成图2所示的功率转换装置10的所有开关元件，能够使用耐压为E/4[V]的开关元件。例如，在直流电源电压为600[V]的情况下，因为能够由更廉价且高性能的、耐压为150[V]的开关元件构成所有开关元件，所以能够提供廉价且高性能的功率转换装置。
以下，利用图2所示的功率转换装置的电路，对本发明的实施方式的功率转换装置的控制方法进行说明。构成图2所示的功率转换装置10的所有开关元件由MOSFET构成，从未图示的控制电路向各开关元件的栅极端子供给栅极信号从而控制导通截止。
图3表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第1示例中，输出U相为+且W相为-的极性的输出电压时的开关模式。在图3中，为了使图易于观察，简化地图示了开关元件。
图3的(a)表示用于输出+E[V]的输出电压的开关模式(1)。在开关模式(1)中，使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5a及S5b接通、S5c及S5d断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出E[V]，并使输出级的开关元件S1a及S1b接通、S2a及S2b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出的E[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8c及S8d接通、S8a及S8d断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出0[V]，并使输出级的开关元件S4a及S4b接通、S3a及S3b断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出的0[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出+E[V]的输出电压。
这时，若将与第1飞跨电容器电路11串联连接的第2飞跨电容器电路12与第1飞跨电容器电路11联动地以相同开关模式进行控制，则能够使第1飞跨电容器电路11输出的电位与第2飞跨电容器电路12输出的电位的差为E/2[V]。具体地说，使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6a及S6b接通、S6c及S6d断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出E/2[V]，此时第1飞跨电容器电路11输出的电位E/[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位E/2[V]的差为E/2[V]。
同样地，若将与第4飞跨电容器电路14串联连接的第3飞跨电容器电路13与第4飞跨电容器电路14联动地以相同开关模式进行控制，则能够使第3飞跨电容器电路13输出的电位与第4飞跨电容器电路14输出的电位的差为E/2[V]。具体地说，若使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7c及S7d接通、S7a及S7b断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出E/2[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位E/2[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位0[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(1)中，4个飞跨电容器FC1～FC4既不被充电也不被放电，维持电荷。
图3的(b)表示用于输出+E/2[V]的输出电压的开关模式(2)。在开关模式(2)中，使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5a及S5c接通、S5b及S5d断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出3E/4[V]，并使输出级的开关元件S1a及S1b接通、S2a及S2b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出的3E/4[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8b及S8d接通、S8a及S8c断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出E/4[V]，并使输出级的开关元件S4a及S4b接通、S3a及S3b断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出的E/4[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出+E/2[V]的输出电压。
这时，若使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6a及S6c接通、S6b及S6d断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出E/4[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位3E/4[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7b及S7d接通、S7a及S7c断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出3E/4[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位3E/4[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(2)中，飞跨电容器FC1及FC4被充电，飞跨电容器FC2及FC3不被充放电。
图3的(c)表示用于输出+E/2[V]的输出电压的开关模式(3)。在开关模式(3)中，使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5b及S5d接通、S5a及S5c断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出3E/4[V]，并使输出级的开关元件S1a及S1b接通、S2a及S2b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出的3E/4[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8a及S8c接通、S8b及S8d断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出E/4[V]，并使输出级的开关元件S4a及S4b接通、S3a及S3b断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出的E/4[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出+E/2[V]的输出电压。
这时，若使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6b及S6d接通、S6a及S6c断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出E/4[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位3E/4[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7a及S7c接通、S7b及S7d断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出3E/4[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位3E/4[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(3)中，飞跨电容器FC1及FC4被放电，飞跨电容器FC2及FC3不被充放电。
图3的(d)表示用于输出+E/2[V]的输出电压的开关模式(4)。在开关模式(4)中，使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5c及S5d接通、S5a及S5b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出E/2[V]，并使输出级的开关元件S1a及S1b接通、S2a及S2b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出的E/2[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8a及S8b接通、S8c及S8d断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出E/2[V]，并使输出级的开关元件S4a及S4b接通、S3a及S3b断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出的E/2[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出+0[V]的输出电压。
这时，若使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6c及S6d接通、S6a及S6b断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出0[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位E/2[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位0[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7a及S7b接通、S7c及S7d断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出E[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位E[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位E/2[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(4)中，4个飞跨电容器FC1～FC4既不被充电也不被放电，维持电荷。
图4表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第1示例中，输出U相为-且W相为+的极性的输出电压时的开关模式。在图4中，为了使图易于观察，也简化地图示了开关元件。
图4的(a)表示用于输出-E[V]的输出电压的开关模式(1)。在开关模式(1)中，使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6c及S6d接通、S6a及S6b断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出0[V]，并使输出级的开关元件S2a及S2b接通、S1a及S1b断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出的0[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7a及S7b接通、S7c及S7d断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出E[V]，并使输出级的开关元件S3a及S3b接通、S4a及S4b断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出的E[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出-E[V]的输出电压。
这时，若使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5c及S5d接通、S5a及S5b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出E/2[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位E/2[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位0[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8a及S8b接通、S8c及S8d断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出E/2[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位E[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位E/2[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(1)中，4个飞跨电容器FC1～FC4既不被充电也不被放电，维持电荷。
图4的(b)表示用于输出-E/2[V]的输出电压的开关模式(2)。在开关模式(2)中，使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6b及S6d接通、S6a及S6c断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出E/4[V]，并使输出级的开关元件S2a及S2b接通、S1a及S1b断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出的E/4[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7a及S7c接通、S7b及S7d断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出3E/4[V]，并使输出级的开关元件S3a及S3b接通、S4a及S4b断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出的3E/4[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出-E/2[V]的输出电压。
这时，若使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5b及S5d接通、S5a及S5b断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出3E/4[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位3E/4[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8a及S8c接通、S8b及S8d断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出E/4[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位3E/4[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(2)中，飞跨电容器FC2及FC3被充电，飞跨电容器FC1及FC4不被充放电。
图4的(c)表示用于输出-E/2[V]的输出电压的开关模式(3)。在开关模式(3)中，使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6a及S6c接通、S6b及S6d断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出E/4[V]，并使输出级的开关元件S2a及S2b接通、S1a及S1b断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出的E/4[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7b及S7d接通、S7a及S7c断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出3E/4[V]，并使输出级的开关元件S3a及S3b接通、S4a及S4b断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出的3E/4[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出-E/2[V]的输出电压。
这时，若使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5a及S5c接通、S5b及S5d断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出3E/4[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位3E/4[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8b及S8d接通、S8a及S8c断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出E/4[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位3E/4[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位E/4[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(3)中，飞跨电容器FC2及FC3被放电，飞跨电容器FC1及FC4不被充放电。
图4的(d)表示用于输出-0[V]的输出电压的开关模式(4)。在开关模式(4)中，使第2飞跨电容器电路12的开关元件S6a及S6b接通、S6c及S6d断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出E/2[V]，并使输出级的开关元件S2a及S2b接通、S1a及S1b断开，从而使第2飞跨电容器电路12输出的E/2[V]从第1输出端OUT1输出。另外，使第3飞跨电容器电路13的开关元件S7c及S7d接通、S7a及S7b断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出E/2[V]，并使输出级的开关元件S3a及S3b接通、S4a及S4b断开，从而使第3飞跨电容器电路13输出的E/2[V]从第2输出端OUT2输出。由此，从第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出-0[V]的输出电压。
这时，若使第1飞跨电容器电路11的开关元件S5a及S5b接通、S5c及S5d断开，从而使第1飞跨电容器电路11输出E[V]，则第1飞跨电容器电路11输出的电位E[V]与第2飞跨电容器电路12输出的电位E/2[V]的差为E/2[V]。
同样地，若使第4飞跨电容器电路14的开关元件S8c及S8d接通、S8a及S8b断开，从而使第4飞跨电容器电路14输出0[V]，则第3飞跨电容器电路13输出的电位E/2[V]与第4飞跨电容器电路14输出的电位0[V]的差为E/2[V]。
在开关模式(4)中，4个飞跨电容器FC1～FC4既不被充电也不被放电，维持电荷。
如上所述，本实施方式的功率转换装置10能够输出-E、-E/2、0、+E/2、+E的5阶段的电压，但在第1示例的所有开关模式中，第1飞跨电容器电路11的输出电压与第2飞跨电容器电路12的输出电压的差为E/2[V]以下，第3飞跨电容器电路13的输出电压与第4飞跨电容器电路14的输出电压的差也为E/2[V]以下。另外，如图3所示，为了生成交流功率的半波，在输出U相为+且W相为-的极性的输出电压的期间，输出级的开关元件S1a、S1b、S4a、S4b为接通、S2a、S2b、S3a、S3b为断开。另外，如图4所示，为了生成交流功率的反极性的半波，在输出U相为-且W相为+的极性的输出电压的期间，输出级的开关元件S2a、S2b、S3a、S3b为接通、S1a、S1b、S4a、S4b为断开。像这样，输出级的开关元件仅在功率转换装置10的输出电压的极性切换时切换接通断开。
图5表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第2示例中，输出U相为+且W相为-的极性的输出电压时的开关模式。在图5的(a)～(d)所示的开关模式(1)～(4)中，构成第1飞跨电容器电路11及第4飞跨电容器电路14的开关元件和输出级的开关元件的开关模式，与图3的(a)～(d)所示的第1示例中的开关模式(1)～(4)分别相同。因此，第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出的电压和飞跨电容器FC1及FC4的充放电的状态，也与图3的(a)～(d)所示的第1示例中的开关模式(1)～(4)的情况分别相同。
在图5的(a)～(d)所示的开关模式(1)～(4)中，构成第2飞跨电容器电路12及第3飞跨电容器电路13的开关元件的开关模式全部相同，开关元件S6a、S6b、S7c及S7d一直保持接通，开关元件S6c、S6d、S7a及S7b一直保持断开。因此，第2飞跨电容器电路12的输出电压、第3飞跨电容器电路13的输出电压也一直保持为E/2[V]。
于是，第1飞跨电容器电路11的输出电压与第2飞跨电容器电路12的输出电压的差，在开关模式(1)中为E/2[V]、在开关模式(2)及(3)中为E/4[V]、在开关模式(4)中为0[V]。另外，第3飞跨电容器电路13的输出电压与第4飞跨电容器电路14的输出电压的差，也在开关模式(1)中为E/2[V]、在开关模式(2)及(3)中为E/4[V]、在开关模式(4)中为0[V]。因此，在第2示例中也能够将第1飞跨电容器电路11的输出电压与第2飞跨电容器电路12的输出电压的差，以及第3飞跨电容器电路13的输出电压与第4飞跨电容器电路14的输出电压的差控制为E/2[V]以下。
图6表示在实施方式的功率转换装置的控制方法的开关模式的第2示例中，输出U相为-且W相为+的极性的输出电压时的开关模式。在图6的(a)～(d)所示的开关模式(1)～(4)中，构成第2飞跨电容器电路12及第3飞跨电容器电路13的开关元件和输出级的开关元件的开关模式，与图4的(a)～(d)所示的第1示例中的开关模式(1)～(4)分别相同。因此，第1输出端OUT1及第2输出端OUT2输出的电压和飞跨电容器FC2及FC3的充放电的状态，也与图4的(a)～(d)所示的第1示例中的开关模式(1)～(4)的情况分别相同。
在图6的(a)～(d)所示的开关模式(1)～(4)中，构成第1飞跨电容器电路11及第4飞跨电容器电路14的开关元件的开关模式全部相同，开关元件S5c、S5d、S8a及S8b一直保持接通，开关元件S5a、S5b、S8c及S8d一直保持断开。因此，第1飞跨电容器电路11的输出电压、第4飞跨电容器电路14的输出电压也一直保持为E/2[V]。
于是，第1飞跨电容器电路11的输出电压与第2飞跨电容器电路12的输出电压的差，在开关模式(1)中为E/2[V]、在开关模式(2)及(3)中为E/4[V]、在开关模式(4)中为0[V]。另外，第3飞跨电容器电路13的输出电压与第4飞跨电容器电路14的输出电压的差，也在开关模式(1)中为E/2[V]、在开关模式(2)及(3)中为E/4[V]、在开关模式(4)中为0[V]。因此，在第2示例中，也能够将第1飞跨电容器电路11的输出电压与第2飞跨电容器电路12的输出电压的差，以及第3飞跨电容器电路13的输出电压与第4飞跨电容器电路14的输出电压的差控制为E/2[V]以下。
在第2示例中，在输出电压的极性切换时、即在开关模式(4)时，第1飞跨电容器电路11的输出电压与第2飞跨电容器电路12的输出电压的差、第3飞跨电容器电路13的输出电压与第4飞跨电容器电路14的输出电压的差都为0[V]。因此，由于能够通过零电压开关(ZVS)来控制输出级的开关元件，所以能够降低开关时产生的损失、负载等。
在本实施方式的功率转换装置的控制方法中，如图3的(b)及图3的(c)、图5的(b)及图5的(c)所示，能够通过不同的开关模式(2)及(3)输出相同的电压+E/2[V]，但在开关模式(2)中飞跨电容器FC1及FC4被充电，在开关模式(3)中飞跨电容器FC1及FC4被放电。因此，通过控制用于输出+E/2[V]的输出电压的开关模式(2)和开关模式(3)的占空比，能够使飞跨电容器FC1及FC4的电压保持为恒定。同样，如图4的(b)及图4的(c)、图6的(b)及图6的(c)所示，能够通过不同的开关模式(2)及(3)输出相同的电压-E/2[V]，但在开关模式(2)中飞跨电容器FC2及FC3被充电，在开关模式(3)中飞跨电容器FC2及FC3被放电。因此，通过控制用于输出-E/2[V]的输出电压的开关模式(2)和开关模式(3)的占空比，能够使飞跨电容器FC2及FC3的电压保持为恒定。由此，能够更精确且高效地控制功率转换装置10的输出电压。
此外，在如图3的(b)、图3的(c)、图4的(b)、图4的(c)、图5的(b)、图5的(c)、图6的(b)及图6的(c)所示的开关模式中2个飞跨电容器都被充电或被放电，但也可以进行控制以使一者充电并使另一者放电。
图7表示图3的(b)所示的开关模式(2)及图3的(c)所示的开关模式(3)的另一示例。图7的(a)所示的开关模式与图3的(b)所示的开关模式(2)相同，图7的(c)所示的开关模式与图3的(c)所示的开关模式(3)相同，但为了进行比较而再次示出。在图7的(b)所示的开关模式(2’)中，因为构成U相侧的2个飞跨电容器电路11及12的开关元件的开关模式与开关模式(2)相同，但构成W相侧的2个飞跨电容器电路13及14的开关元件的开关模式与开关模式(3)相同，所以飞跨电容器FC1被充电，而飞跨电容器FC4被放电。在图7的(d)所示的开关模式(3’)中，因为构成U相侧的2个飞跨电容器电路11及12的开关元件的开关模式与开关模式(3)相同，但构成W相侧的2个飞跨电容器电路13及14的开关元件的开关模式与开关模式(2)相同，所以飞跨电容器FC1被放电，而飞跨电容器FC4被充电。关于图4的(b)、图5的(b)及图6的(b)所示的开关模式(2)以及图4的(c)、图5的(c)及图6的(c)所示的开关模式(3)也相同。
在本实施方式的功率转换装置10的控制方法的开关模式的第1示例中，在仅使用开关模式(2)和(3)、而不使用开关模式(2’)和(3’)的情况下，在图3及图4所示的所有开关模式中，构成直接连接的2个飞跨电容器电路的开关元件的开关模式相互联动，构成并联地连接的相对的臂的串联连接的2个飞跨电容器电路的开关元件的开关模式反转。即，第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12被联动控制，第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14也被联动控制，第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12与第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14被反转控制。另外，输出级的开关元件S1a及S1b与S4a及S4b被联动控制，开关元件S2a及S2b与S3a及S3b也被联动控制，开关元件S1a、S1b、S4a及S4b与开关元件S2a、S2b、S3a及S3b也被反转控制。因此，用于从控制电路向构成功率转换装置10的各开关元件的栅极端子供给栅极信号的控制线，可以是用于控制构成飞跨电容器电路11～14的开关元件的4条和用于通过输出级的开关元件来控制输出电压的极性的2条的共计6条。向构成第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14的开关元件，供给向构成第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12的开关元件供给的控制信号的反转信号。像这样，因为根据本实施方式的功率转换装置10能够使控制线的构成简化，所以能够提供廉价且小型的功率转换装置。另外，因为能够使控制简化，所以能够减少误动作、故障的发生。
在本实施方式的功率转换装置10的控制方法的开关模式的第1示例中，在不仅使用开关模式(2)及(3)、还并用开关模式(2’)及(3’)的情况下，即使在飞跨电容器FC1与FC4、或FC2与FC3的电压产生偏差的情况下，也能够使各飞跨电容器独立地进行充放电，因此能够更细微地调整飞跨电容器的电压、使其保持恒定。在这种情况下，因为第1飞跨电容器电路11也与第2飞跨电容器电路12被联动控制，第3飞跨电容器电路13也与第4飞跨电容器电路14被联动控制，所以用于从控制电路向构成功率转换装置10的各开关元件的栅极端子供给栅极信号的控制线，可以是用于控制构成飞跨电容器电路11及12的开关元件的4条、用于控制构成飞跨电容器电路13及14的开关元件的4条、用于通过输出级的开关元件来控制输出电压的极性的2条的共计10条。
以上说明的开关模式全部是从直流侧向交流侧输送功率的情况下的开关模式，但如上所述，本实施方式的功率转换装置10也能从交流侧向直流侧输送功率。在这种情况下，因为电流的方向相反，所以飞跨电容器的充电和放电相反。
以下，对在本实施方式的功率转换装置的控制方法中用于使飞跨电容器的电压保持为恒定的技术进行说明。
图8表示实施方式的功率转换装置的控制方法的第1示例。在第1示例中，使用2个载波来控制开关元件的占空比。如最上段所示，在控制电路中，通过对作为三角波的第1载波(实线)与用于占空比控制的参考信号的比较而生成栅极信号Gu1及Gu4，通过对使第1载波的相位反转的第2载波(虚线)与用于占空比控制的参考信号的比较而生成栅极信号Gu2及Gu3。将生成的栅极信号Gu1～Gu4示于第2～5段。用于占空比控制的参考信号根据功率转换装置10应输出的电压而被调整。
生成的栅极信号Gu1～Gu4介由控制线向各开关元件供给。在第1示例中，不使用开关模式(2’)及(3’)，而使用开关模式(2)及(3)。因此，向开关元件S5a及S6a供给栅极信号Gu1、向S7a及S8a供给栅极信号Gu1的反转信号，向S5b及S5b供给栅极信号Gu2、向S7b及S8b供给栅极信号Gu2的反转信号，向开关元件S5c及S6c供给栅极信号Gu3、向S7c及S8c供给栅极信号Gu3的反转信号，向S5d及S5d供给栅极信号Gu4、向S7d及S8d供给栅极信号Gu4的反转信号。将由栅极信号Gu1～Gu4实现的开关模式示于第6段，将飞跨电容器的充放电的状态示于第7段。
在第1示例中，因为使用相位反转的2个载波来生成栅极信号，并通过生成的栅极信号来控制开关模式的占空比，所以如第7段所示，在各周期中能够使在开关模式(2)中飞跨电容器FC1及FC4(FC2及FC3)被充电的期间、与在开关模式(3)中飞跨电容器FC1及FC4(FC2及FC3)被放电的期间始终相等。由此，通过简易的构成及控制，能够使飞跨电容器的充放电的期间均衡，并能够使飞跨电容器的电压保持为恒定。
图9表示实施方式的功率转换装置的控制方法的第2示例。在第2示例中也与第1示例相同，使用2个载波来控制开关元件的占空比，但在第2示例中，能够通过根据飞跨电容器的电压调整载波的电平来调整占空比。如第1示例所示，即使控制占空比以使飞跨电容器的充电期间与放电期间始终相等，由于元件的特性的偏差或载荷的状况等，有时飞跨电容器的电压也会产生偏差而从预定的电压偏离。根据第2示例，即使飞跨电容器的电压从预定的值、例如从E/4[V]偏离，通过使飞跨电容器的充电期间和放电期间可调整，也能够使飞跨电容器的电压保持为预定的电压。
如最上段所示，在第1周期中相位反转的2个载波为相同电平，但在第2周期中被调整为由实线表示的第1载波的电平变低。由此，因为由第1载波生成的栅极信号Gu2为高电平的期间比第1周期长，由第1载波生成的栅极信号Gu3为低电平的期间比第1周期长，所以作为开关模式(3)的期间比作为开关模式(2)的期间长。因此，由于飞跨电容器被充电的期间比被放电的时间长，所以作为结果，飞跨电容器被充电而电压上升。
在第2示例中也与第1示例相同，可以不使用开关模式(2’)及(3’)，而使用开关模式(2)及(3)，通过6条控制线来控制开关元件，但并用开关模式(2’)及(3’)能够独立地调整U相侧的飞跨电容器与W相侧的飞跨电容器的电压，所以能够使飞跨电容器的电压的偏差更细微地平滑化、并保持为预定的电压。在控制为开关模式(2’)及(3’)时，不使栅极信号Gu1～Gu4反转地供给到构成W相侧的第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14的开关元件。
在这种情况下，还设有将构成第1飞跨电容器电路11的飞跨电容器FC1或构成第2飞跨电容器电路12的飞跨电容器FC2的电压与预定的电压进行比较的未图示的第1比较电路，以及将构成第3飞跨电容器电路13的飞跨电容器FC3或构成第4飞跨电容器电路14的飞跨电容器FC4的电压与预定的电压进行比较的未图示的第2比较电路。
在飞跨电容器FC1或FC2的电压低于E/4[V]的情况下，在下次以后的周期中，调整载波的电平以使飞跨电容器FC1或FC2的充电期间比放电期间长，并将由调整了电平的载波生成的栅极信号供给到构成第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12的开关元件。在飞跨电容器FC1或FC2的电压高于E/4[V]的情况下，在下次以后的周期中，调整载波的电平以使飞跨电容器FC1或FC2的充电期间比放电期间短，并将由调整了电平的载波生成的栅极信号供给到构成第1飞跨电容器电路11及第2飞跨电容器电路12的开关元件。
在飞跨电容器FC3或FC4的电压低于E/4[V]的情况下，在下次以后的周期中，调整载波的电平以使飞跨电容器FC3或FC4的充电期间比放电期间长，并将由调整了电平的载波生成的栅极信号供给到构成第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14的开关元件。在飞跨电容器FC3或FC4的电压高于E/4[V]的情况下，在下次以后的周期中，调整载波的电平以使飞跨电容器FC3或FC4的充电期间比放电期间短，并将由调整了电平的载波生成的栅极信号供给到构成第3飞跨电容器电路13及第4飞跨电容器电路14的开关元件。
也可以是，在第1比较电路中，将构成与U相的输出级的开关元件S1a、S1b、S2a及S2b中的接通的开关元件连接的飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压与预定的电压进行比较，在第2比较电路中，将构成与W相的输出级的开关元件S3a、S3b、S4a及S4b中的接通的开关元件连接的飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压与预定的电压进行比较。例如，也可以是，在高侧的开关元件S1a及S1b、或S3a及S3b接通的情况下，将构成上级的第1飞跨电容器电路11或第3飞跨电容器电路13的飞跨电容器FC1或FC3的电压与预定的电压进行比较，在低侧的开关元件S2a及S2b、或S4a及S4b接通的情况下，将构成下级的第2飞跨电容器电路12或第4飞跨电容器电路14的飞跨电容器FC2或FC4的电压与预定的电压进行比较。由此，能够基于大电流流动的一侧的、变化大的飞跨电容器的电压来控制飞跨电容器的充放电，所以能够使飞跨电容器的电压更精确地均衡、并保持为恒定。
也可以设有用于将飞跨电容器FC1～FC4的电压分别与预定的电压进行比较的4个比较电路，使得能够独立地调整各飞跨电容器的电压。另外，也可以仅设有用于将飞跨电容器FC1～FC4中的一个的电压与预定的电压进行比较的比较电路，基于该飞跨电容器的电压来调整所有飞跨电容器的电压。
图10表示实施方式的功率转换装置的控制方法的第3示例。在第3示例中与第1及第2示例不同，使用单一的载波来控制开关元件的占空比。
由最上段所示的载波和用于占空比控制的参考信号来生成第2级所示的控制信号A及第3级所示的控制信号B。控制信号B是控制信号A的反转信号。在第3示例中也与第2示例相同，设有用于对飞跨电容器的电压与预定的电压进行比较的比较电路，比较电路的输出作为第4段所示的充放电控制信号而使用。在飞跨电容器的电压低于预定的电压的情况下，在下次的周期中输出表示充电的高电平的信号，在飞跨电容器的电压高于预定的电压的情况下，在下次的周期中输出表示放电的低电平的信号。
根据充放电控制信号的状态，向第5～8段所示的栅极信号Gu1～Gu4分配控制信号A与控制信号B的任意一者。具体地说，在充放电控制信号为表示充电的高电平的情况下，生成成为用于对飞跨电容器进行充电的开关模式的栅极信号，在充放电控制信号为表示放电的低电平的情况下，生成成为用于对飞跨电容器进行放电的开关模式的栅极信号。将由栅极信号Gu1～Gu4实现的开关模式示于第9段，将飞跨电容器的充放电的状态示于第10段。
在第3示例中也与第2示例相同，可以不使用开关模式(2’)及(3’)，而以飞跨电容器FC1～FC4的任意一个的电压为基准、对构成第1～第4飞跨电容器电路的所有开关元件联动地进行控制，也可以并用开关模式(2’)及(3’)，以构成U相侧的第1或第2飞跨电容器电路的飞跨电容器FC1或FC2的电压为基准、对构成第1及第2飞跨电容器电路的开关元件联动地进行控制，并以构成W相侧的第3或第4飞跨电容器电路的飞跨电容器FC3或FC4的电压为基准、对构成第3及第4飞跨电容器电路的开关元件联动地进行控制。另外，可以设有用于将飞跨电容器FC1～FC4的电压分别与预定的电压进行比较的4个比较电路，使得能够独立地调整各飞跨电容器的电压，也可以仅设有用于将飞跨电容器FC1～FC4中的一个的电压与预定的电压进行比较的比较电路，基于该飞跨电容器的电压来调整所有飞跨电容器的电压。
图11表示实施方式的功率转换装置10的飞跨电容器电路的另一示例。以上对使用三电平的飞跨电容器电路的功率转换装置10进行了说明，但作为功率转换装置10的第1～第4飞跨电容器电路11～14，也可以使用能够输出比三电平更多的输出电压的飞跨电容器电路。例如，在使用2级的飞跨电容器电路的情况下，在构成1级的飞跨电容器电路的4个开关元件的高电位侧与低电位侧分别还串联连接有一个开关元件，在追加的2个开关元件与现有的开关元件的各连接点之间，还连接有第2飞跨电容器FC(2)。之后也相同，N(N是自然数)级的飞跨电容器电路由(2N+4)个开关元件和N个飞跨电容器构成。
第1个电容器FC(1)的电压被控制成为直流电源电压E的(1/(2N+2))倍的电压，第2个电容器FC(2)的电压被控制成为直流电源电压E的(2/(2N+2))倍的电压，第N个电容器FC(N)的电压被控制成为直流电源电压E的(N/(2N+2))倍的电压。由此，因为N级的飞跨电容器电路能够输出(2N+1)电平的输出电压，所以由4个N级的飞跨电容器电路构成的功率转换装置10能够从第1输出端OUT1与第2输出端OUT2输出(2N+3)电平的电压。
本发明的一个方式的概要如下所述。本发明的一个方式的功率转换装置包括：与直流电源并联的、被串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路；与直流电源及被串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路并联的、串联连接的第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路；串联连接于第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路的输出端子之间的第1开关元件及第2开关元件；串联连接于第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路的输出端子之间的第3开关元件及第4开关元件；设于串联连接的第1开关元件及第2开关元件的中点的第1输出端子；以及设于串联连接的第3开关元件及第4开关元件的中点的第2输出端子。第1飞跨电容器电路与第2飞跨电容器电路的连接点、及第3飞跨电容器电路与第4飞跨电容器电路的连接点与直流电源电压的中点连接，从第1输出端子与第2输出端子输出交流功率。
根据该方式，因为能够降低输出级的第1～第4开关元件的耐压，所以能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，该功率转换装置在第1开关元件及第4开关元件为接通状态、以及第2开关元件及第3开关元件为断开状态下生成交流功率的半波，在第1开关元件及第4开关元件为断开状态、以及第2开关元件及第3开关元件为接通状态下生成交流功率的反极性的半波。
根据该方式，因为能够输出更接近正弦波的输出电压，所以能够使LC滤波器小型化。
也可以是，在该功率转换装置中，第1开关元件及第4开关元件为接通状态、且第2开关元件及第3开关元件为断开状态的状态，与第1开关元件及第4开关元件为断开状态、且第2开关元件及第3开关元件为接通状态的状态的切换，被控制为在第1输出端子及第2输出端子输出的交流功率的极性切换时进行动作。
根据该方式，因为能够进行控制以使第1～第4开关元件仅在过零时动作，所以能够由直接连接的多个开关元件来构成第1～第4开关元件。
也可以是，该功率转换装置具有将耐压更低的多个开关元件串联连接的构成，来代替第1开关元件、第2开关元件、第3开关元件、或第4开关元件。
根据该方式，因为能够进一步降低输出级的第1～第4开关元件的耐压，所以能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，在该功率转换装置中，第1飞跨电容器电路的输出电压与第2飞跨电容器电路的输出电压的差、以及第3飞跨电容器电路的输出电压与第4飞跨电容器电路的输出电压的差，被控制成为所述直流电源电压的一半的电压以下。
根据该方式，因为能够降低输出级的第1～第4开关元件的耐压，所以能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，在该功率转换装置中，第1飞跨电容器电路包含串联连接的第S5a开关元件、第S5b开关元件、第S5c开关元件及第S5d开关元件，以及连接于第S5a开关元件与第S5b开关元件的连接点和第S5c开关元件与第S5d开关元件的连接点之间的第1电容器FC1；第2飞跨电容器电路包含串联连接的第S6a开关元件、第S6b开关元件、第S6c开关元件及第S6d开关元件，以及连接于第S6a开关元件与第S6b开关元件的连接点和第S6c开关元件与第S6d开关元件的连接点之间的第2电容器FC2；第3飞跨电容器电路包含串联连接的第S7a开关元件、第S7b开关元件、第S7c开关元件及第S7d开关元件，以及连接于第S7a开关元件与第S7b开关元件的连接点和第S7c开关元件与第S7d开关元件的连接点之间的第3电容器FC3；第4飞跨电容器电路包含串联连接的第S8a开关元件、第S8b开关元件、第S8c开关元件及第S8d开关元件，以及连接于第S8a开关元件与第S8b开关元件的连接点和第S8c开关元件与第S8d开关元件的连接点之间的第4电容器FC4。
根据该方式，因为能够将构成功率转换装置的所有开关元件的耐压降低到直流电源电压的1/4，所以能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，在该功率转换装置中，第1飞跨电容器电路包含1个电容器；第2飞跨电容器电路包含1个电容器；第3飞跨电容器电路包含1个电容器；第4飞跨电容器电路包含1个电容器；电容器的电压被控制成为直流电源电压的1/4倍的电压；从第1输出端子与第2输出端子输出五电平的电压。
根据该方式，因为能够由低耐压的开关元件构成可输出五电平的输出电压的功率转换装置，所以能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，在该功率转换装置中，第1飞跨电容器电路包含N(N是自然数)个电容器；第2飞跨电容器电路包含N(N是自然数)个电容器；第3飞跨电容器电路包含N(N是自然数)个电容器；第4飞跨电容器电路包含N(N是自然数)个电容器；第1个电容器的电压被控制成为直流电源电压的(1/(2N+2))倍的电压；第2个电容器的电压被控制成为直流电源电压的(2/(2N+2))倍的电压；第N个电容器的电压被控制成为直流电源电压的(N/(2N+2))倍的电压；从第1输出端子与第2输出端子输出(2N+3)电平的电压。
根据该方式，因为能够由低耐压的开关元件构成可输出(2N+3)电平的输出电压的功率转换装置，所以能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，在该功率转换装置中，在第1飞跨电容器电路的开关元件、第2飞跨电容器电路的开关元件、第3飞跨电容器电路的开关元件、及第4飞跨电容器电路的开关元件中，使用耐压低于直流电源电压的元件。
根据该方式，能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
也可以是，在该功率转换装置中，在第1开关元件、第2开关元件、第3开关元件、或第4开关元件中，使用耐压低于直流电源的电压的元件。
根据该方式，能够实现廉价且高性能的功率转换装置。
此外，将以上的构成要素进行任意组合、将本发明的表现形式在方法、装置、系统、记录介质、计算机程序等之间变换后的方案，作为本发明的实施方式也是有效的。
[附图标记说明]
10功率转换装置，11第1飞跨电容器电路，12第2飞跨电容器电路，13第3飞跨电容器电路，14第4飞跨电容器电路。
[工业可利用性]
本发明能够利用于功率转换装置。

Claims (14)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
与直流电源并联的被串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路，
与所述直流电源及所述串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路并联的、被串联连接的第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路，
串联连接于所述第1飞跨电容器电路及所述第2飞跨电容器电路的输出端子之间的第1开关元件及第2开关元件，
串联连接于所述第3飞跨电容器电路及所述第4飞跨电容器电路的输出端子之间的第3开关元件及第4开关元件，
设于所述串联连接的第1开关元件及第2开关元件的中点的第1输出端子，以及
设于所述串联连接的第3开关元件及第4开关元件的中点的第2输出端子；
所述第1飞跨电容器电路与第2飞跨电容器电路的连接点、及所述第3飞跨电容器电路与第4飞跨电容器电路的连接点与直流电源电压的中点连接；
从所述第1输出端子与所述第2输出端子输出交流功率。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第1开关元件及所述第4开关元件为接通状态、且所述第2开关元件及所述第3开关元件为断开状态下，生成所述交流功率的半波；
在所述第1开关元件及所述第4开关元件为断开状态、且所述第2开关元件及所述第3开关元件为接通状态下，生成所述交流功率的反极性的半波。
3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第1开关元件及所述第4开关元件为接通状态且所述第2开关元件及所述第3开关元件为断开状态的状态，与所述第1开关元件及所述第4开关元件为断开状态且所述第2开关元件及所述第3开关元件为接通状态的状态的切换，被控制为在所述第1输出端子及所述第2输出端子输出的交流功率的极性切换时进行动作。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
具有将耐压更低的多个开关元件串联连接的构成，来代替所述第1开关元件、所述第2开关元件、所述第3开关元件、或所述第4开关元件。
5.如权利要求1至4的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第1飞跨电容器电路的输出电压与所述第2飞跨电容器电路的输出电压的差、及所述第3飞跨电容器电路的输出电压与所述第4飞跨电容器电路的输出电压的差，被控制成为所述直流电源电压的一半的电压以下。
6.如权利要求1至5的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第1飞跨电容器电路包括：
串联连接的第S5a开关元件、第S5b开关元件、第S5c开关元件及第S5d开关元件，以及
连接于所述第S5a开关元件与第S5b开关元件的连接点和第S5c开关元件与第S5d开关元件的连接点之间的第1电容器FC1；
所述第2飞跨电容器电路包括：
串联连接的第S6a开关元件、第S6b开关元件、第S6c开关元件及第S6d开关元件，以及
连接于所述第S6a开关元件与第S6b开关元件的连接点和第S6c开关元件与第S6d开关元件的连接点之间的第2电容器FC2；
所述第3飞跨电容器电路包括：
串联连接的第S7a开关元件、第S7b开关元件、第S7c开关元件及第S7d开关元件，以及
连接于所述第S7a开关元件与第S7b开关元件的连接点和第S7c开关元件与第S7d开关元件的连接点之间的第3电容器FC3；
所述第4飞跨电容器电路包括：
串联连接的第S8a开关元件、第S8b开关元件、第S8c开关元件及第S8d开关元件，以及
连接于所述第S8a开关元件与第S8b开关元件的连接点和第S8c开关元件与第S8d开关元件的连接点之间的第4电容器FC4。
7.如权利要求1至6的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第1飞跨电容器电路包含1个电容器；
所述第2飞跨电容器电路包含1个电容器；
所述第3飞跨电容器电路包含1个电容器；
所述第4飞跨电容器电路包含1个电容器；
所述电容器的电压被控制成为所述直流电源电压的1/4倍的电压；
从所述第1输出端子与所述第2输出端子输出五电平的电压。
8.如权利要求1至6的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第1飞跨电容器电路包含N个电容器；
所述第2飞跨电容器电路包含N个电容器；
所述第3飞跨电容器电路包含N个电容器；
所述第4飞跨电容器电路包含N个电容器；
其中，N是自然数；
第1个电容器的电压被控制成为所述直流电源电压的(1/(2N+2))倍的电压；
第2个电容器的电压被控制成为所述直流电源电压的(2/(2N+2))倍的电压；
第N个电容器的电压被控制成为所述直流电源电压的(N/(2N+2))倍的电压；
从所述第1输出端子与所述第2输出端子输出(2N+3)电平的电压。
9.如权利要求1至8的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
对于所述第1飞跨电容器电路的开关元件、所述第2飞跨电容器电路的开关元件、所述第3飞跨电容器电路的开关元件、及所述第4飞跨电容器电路的开关元件，使用耐压低于所述直流电源电压的元件。
10.如权利要求1至9的任意一项所述的功率转换装置，其特征在于，
对于所述第1开关元件、所述第2开关元件、所述第3开关元件、或所述第4开关元件，使用耐压低于所述直流电源的电压的元件。
11.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
与直流电源并联的、被串联连接的第1飞跨电容器电路及第2飞跨电容器电路，
与所述直流电源及所述串联连接的第1飞跨电容器电路和第2飞跨电容器电路并联的、被串联连接的第3飞跨电容器电路及第4飞跨电容器电路，
串联连接于所述第1飞跨电容器电路及所述第2飞跨电容器电路的输出端子之间的第1开关元件及第2开关元件，
串联连接于所述第3飞跨电容器电路及所述第4飞跨电容器电路的输出端子之间的第3开关元件及第4开关元件，
设于所述串联连接的第1开关元件及第2开关元件的中点的第1输出端子，以及
设于所述串联连接的第3开关元件及第4开关元件的中点的第2输出端子；
所述第1飞跨电容器电路与第2飞跨电容器电路的连接点、及所述第3飞跨电容器电路与第4飞跨电容器电路的连接点与直流电源电压的中点连接；
从所述第1输出端子与所述第2输出端子输出交流功率；
所述第1飞跨电容器电路的输出电压与所述第2飞跨电容器电路的输出电压的差、及所述第3飞跨电容器电路的输出电压与所述第4飞跨电容器电路的输出电压的差，被控制成为所述直流电源电压的一半的电压以下；
所述第1开关元件、所述第2开关元件、所述第3开关元件及所述第4开关元件被控制为在从所述第1输出端子及所述第2输出端子输出的交流功率的极性切换时进行动作；
作为从所述第1输出端子与所述第2输出端子输出所述直流电源电压的一半的电压时的、构成所述第1飞跨电容器电路、所述第2飞跨电容器电路、所述第3飞跨电容器电路及所述第4飞跨电容器电路的开关元件的开关模式，有构成所述第1飞跨电容器电路、所述第2飞跨电容器电路、所述第3飞跨电容器电路、或所述第4飞跨电容器电路的飞跨电容器被充电的第1开关模式和被放电的第2开关模式。
12.如权利要求11所述的功率转换装置，其特征在于，
作为所述第1开关模式的时间与作为所述第2开关模式的时间被控制为均衡；
向构成所述第1飞跨电容器电路的开关元件及构成所述第2飞跨电容器电路的开关元件同样地供给第1控制信号；
向构成所述第3飞跨电容器电路的开关元件及构成所述第4飞跨电容器电路的开关元件同样地供给将所述第1控制信号反转的第2控制信号。
13.如权利要求11所述的功率转换装置，其特征在于，还包括：
将构成所述第1飞跨电容器电路或所述第2飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压与预定的电压进行比较的第1比较电路，以及
将构成所述第3飞跨电容器电路或所述第4飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压与所述预定的电压进行比较的第2比较电路；
在构成所述第1飞跨电容器电路或所述第2飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压低于所述预定的电压的情况下，向构成所述第1飞跨电容器电路及所述第2飞跨电容器电路的开关元件同样地供给控制信号，以使作为所述第1开关模式的期间长于作为所述第2开关模式的期间；在构成所述第1飞跨电容器电路或所述第2飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压高于所述预定的电压的情况下，向构成所述第1飞跨电容器电路及所述第2飞跨电容器电路的开关元件同样地供给控制信号，以使作为所述第1开关模式的期间短于作为所述第2开关模式的期间；
在构成所述第3飞跨电容器电路或所述第4飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压低于所述预定的电压的情况下，向构成所述第3飞跨电容器电路及所述第4飞跨电容器电路的开关元件同样地供给控制信号，以使作为所述第1开关模式的期间长于作为所述第2开关模式的期间；在构成所述第3飞跨电容器电路或所述第4飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压高于所述预定的电压的情况下，向构成所述第3飞跨电容器电路及所述第4飞跨电容器电路的开关元件同样地供给控制信号，以使作为所述第1开关模式的期间短于作为所述第2开关模式的期间。
14.如权利要求13所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第1比较电路中，构成飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压被与所述预定的电压进行比较，该飞跨电容器电路是指与所述第1开关元件及所述第2开关元件中的接通的开关元件连接的；
在所述第2比较电路中，构成飞跨电容器电路的飞跨电容器的电压被与所述预定的电压进行比较，该飞跨电容器电路是指与所述第3开关元件及所述第4开关元件中的接通的开关元件连接的。
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